【原创】热界面材料——热量传输的“高速公路”,市场有多大?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  聊一聊热界面材料。

中国粉体网讯  本文开始前,先针对生活中的两个常见现象,问两个为什么。


1. 在寒冷的冬天,让你把手伸到空气中你感觉很冷但勉强还能忍受,但如果让你用凉水去刷碗,你会感觉更冷,你可能宁愿把碗摔了也不想刷,为什么?


2. 初中有一道常见的物理题,问“0℃的铁棍和0℃的木棍握在手里,握哪个时会感觉更冷”,答案是握铁棍时更冷,为什么?


带着这两个问题我们进入今天的话题——热界面材料。


热界面材料是什么?


在智能手机刚兴起的时代,我们每个人基本都有过这样的经历:手机在使用时会变得越来越热,严重时还会烫手。这是因为手机内部的元器件在工作时产出的热量没有及时的散掉,导致机体快速升温。



图片来源:Pixabay


近些年的智能手机在发热方面的问题已经大大改观,当然,这不是因为内部的元器件发热少了,恰恰相反,由于手机、电脑等电子产品功能不断强大,内部集成电路组装密度和工作频率越来越高,其在运行过程中产生的热量也越来越大。至于现在的手机似乎不那么热了,主要是散热技术相比以前进步太多了。而散热技术会涉及到一个关键的角色——热界面材料,即是我们今天要讲的东西。


热界面材料是一种以高分子材料为基体、以具有绝缘、导热性能的粉体为填料,经过交联或硫化制成的聚合物复合材料,通常是有机硅烷类和环氧类化合物,用于黏接固定电子元器件。



散热器与发热元器件之间的导热界面材料


它通常用在发热的元件和散热器中间,可以在两个表面形成良好接触,从而驱除其间热导率较低的空气(热导率只有0.025W/m·K)。


看到这里,最前面我们提出的两个问题便有了答案:与空气相比,由于水的热导率高,在寒冷的冬天触碰时热量会比在空气中散失的更快,这让你感觉更冷;同样的道理,铁的热导率远高于木材,所以握住铁棍时手上的热量散失的更快,所以握住铁棍你明显有一种“透心凉”的感觉。


小编用两个例子说明不同的材料导热性不同,会带来不同的结果。由于热界面材料在元件和散热器之间的空隙代替了低热导率的空气,自然可以提高散热性能。据了解,使用热界面材料后可以将散热器效率由不足40%提高到90%以上,因此广泛应用于IC封装、锂电池散热、LED封装、电机散热等。



热界面材料的特征、分类及技术指标


特征


导热界面材料主要用于电子设备的散热,因此一般要求具有以下特征:


(1)高导热性;

(2)高柔韧性,保证在较低安装压力条件下热界面材料能够最充分地填充接触表面的空隙,保证热界面材料与接触面间的接触热阻很小;

(3)绝缘及无毒。


分类及应用



(1)导热灌封胶



导热灌封胶是以一种双组分的硅胶作为基础原料,添加一定比例的导热填料,固化形成导热灌封胶。导热灌封胶在未固化前为液体状,具有流动性。导热灌封胶完全固化后才能实现它的使用价值,固化后可以起到防水防潮、导热、密封、防腐蚀、防尘、绝缘、耐温、防震的作用,可用于模块的整体封装。


(2)导热硅脂(导热膏)


具有一定流动性或呈黏稠状的膏状物,用于填充微小间隙,比如将膏体涂覆在CPU和散热器之间,发热堆和壳体之间,将空气挤压出去,形成散热通道。




(3)导热垫片




是一种柔性可压缩的弹性材料,在施加一定压力的情况下,能很好地顺应接触不规则的表面,填补固体间的空隙,而又不会对元器件造成污染,用于电子电器产品的控制主板、LED散热、电机内外部垫脚、锂电池热管理等。


(4)导热相变材料


在常温时处于固态,在吸收功率器件热量后,达到一定温度才融化为液态,因此可以很好地浸润固体界面,从而减少热阻,它既能吸收热量,又有良好的传热性,综合了导热硅脂和导热胶垫的优势,既解决了硅脂涂抹操作难的问题,也解决了导热胶垫因为厚度和界面热阻带来的导热效果的问题。


主要技术指标


表征热界面材料的性能的技术指标除常规的密度、白度等物理指标外,还包括导热性能指标以及机械强度、电气性能指标。常规的物理指标包括密度、颜色、阻燃等级、挥发份、锥入度、游离度等。导热性能是衡量导热界面材料最重要的指标,通常以热导率、热阻来表征。机械强度一般针对导热胶垫类产品,通常以拉伸强度、硬度等表示。电气性能一般包括体积电阻率、击穿电压等指标。


图片热界面材料产业链





填料的导热性能是影响热界面材料的重要因素,图为常用填料的导热参数对比


中国热界面材料市场有多大?


随着中国制造业水平的不断提升,以及热界面材料下游新兴应用领域如数据中心、新能源汽车、可穿戴设备等的高速发展,其散热需求也将同步上升,中国热界面材料行业市场规模呈现上涨态势,根据相关数据显示,2022年中国热界面材料行业市场规模约为15.45亿元,产值约为3.7亿元。


图片来源:智研咨询


从细分热界面材料市场份额来看,聚合物基类占据了绝大数市场份额,其导热性能好、导电性能优异、良好的机械性能、易于加工等优势时期广泛应用于电子设备和电子元件中,可以提高电路性能和工作寿命,为人们的生活和工作带来了很大的便利。根据相关数据显示,2022年中国聚合物基类热界面材料行业市场规模约为13.59亿元,占比为87.96%;相变材料市场规模约为1.43亿元,占比为9.26%;金属类热界面材料市场规模约为0.43亿元,占比为2.78%。


市场竞争格局


导热材料行业具有较高的进入壁垒,此类产品在终端中的成本占比并不高,但其扮演的角色非常重要,因而供应商稳定性较好、获利能力稳定。所谓的壁垒可简单理解为技术壁垒和供应商认证壁垒。技术壁垒就是材料研发的资金投入及专利技术积累。与多数材料化工行业相类似,导热材料行业的供应商一旦进入其体系,轻易不会更换。


自20世纪90年代以来,以美国为代表的发达国家大学和科研机构(如麻省理工学院、佐治亚理工学院等)、美国军方(DAPA项目)和骨干企业(Intel,IBM等)都投入巨大力量持续进行热界面材料的科学探索和技术研发。这带来了美国和日本的企业,如Laird(莱尔德)、Chomerics(固美丽)、Bergquist(贝格斯,汉高收购)、Fujipoly(富士高分子工业株式会社)、SEKISUI(积水化学工业株式会社)、DowCorning(道康宁-陶氏)、ShinEtsu(信越化学工业株式会社)和Honeywell(霍尼韦尔)等占据了全球热界面材料90%以上的高端市场。


由于我国本土企业早期缺乏核心技术,主要高端导热材料生产基材还是需要国外生产制作商提供,产品性能指标以及研发积累与欧美企业仍存在一定差距。对比国外知名的热界面材料生产厂商,如日本信越、美国道康宁、德国汉高、美国固美丽等,我国热界面材料生产厂商的性能较差,无法满足高端芯片的封装要求。其主要问题是,我国热界面材料生产的原材料(如有机硅、氧化铝、铝和氮化铝)纯度不够,热界面材料复合工艺水平有待提高。


参考来源:

[1]李建忠等.导热界面材料及导热填料Al2O3的技术研究

[2]杨斌等.热界面材料产业现状与研究进展

[3]赵敬棋等.导热高分子复合材料的研究进展

[4]智研咨询


(中国粉体网编辑整理/山川)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除


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作者:山川

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