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背景
近年來，電子制造工藝水平不斷提升，電子封裝技術朝著高密度化的方向飛速發(fā)展，集成電路芯片的集成度以近似摩爾定律的速度增加，大約每兩年提升一倍。隨著5G時代的來到，電子系統(tǒng)體積不斷縮小，高性能下的系統(tǒng)內(nèi)部功率急劇增加，系統(tǒng)內(nèi)過高的溫度環(huán)境會容易導致器件失效，進而影響系統(tǒng)性能。據(jù)研究，電子器件的工作溫度每升高2℃，其可靠性會降低10%。由此看來，更高效的散熱方案顯得越來越重要。
目前被廣泛應用在電子散熱等領域的材料是熱界面材料（TIM）。電子器件接觸面為固體表面相互接觸，中間存在著微觀凹凸不平的空隙，實際接觸面積僅1%到2%，空氣的熱傳導率極低僅為0.026Ｗ/(ｍ·Ｋ)，屬于不良導體，散熱效果差。當熱量傳導經(jīng)過接觸界面時會受到界面熱阻，此時在間隙中添加合適的熱界面材料可以排除空氣，形成緊密連接的熱傳導通道，大幅度降低接觸熱阻，充分發(fā)揮其散熱作用。
導熱界面材料作用示意圖
導熱膏概念
導熱膏作為一種導熱性良好的填充型熱界面材料，材質(zhì)為膏狀或液態(tài)，有一定的粘稠度和流動性，沒有明顯的顆粒感，應用在散熱器和熱源的界面上，可以有效地填充各種縫隙。
導熱膏是由基體材料和導熱填料組成。
基體材料為高分子聚合物，常用的聚合物基體包括硅油、硅橡膠以及環(huán)氧樹脂等材料。根據(jù)成分，導熱膏可以分為含硅和不含硅，硅油由于具有良好的流動性以及適中的粘度，在導熱膏體系中作主要應用。含硅導熱膏又稱為導熱硅脂，是以有機硅酮為主要原料，添加導熱性能優(yōu)異的材料后制成的導熱型有機硅脂狀復合物，可在200℃以上長期使用而保持膏脂原狀，并具有良好的化學穩(wěn)定性，對基材無腐蝕。目前導熱膏市場上最主要的細分產(chǎn)品是硅基導熱膏，占據(jù)大約84.35%的份額。
導熱填料是添加在基體材料中用以提高導熱膏導熱性能的材料，常用的導熱填料包括金屬材料、碳基材料和陶瓷材料。想要制備高導熱系數(shù)的導熱膏，需要選用恰當?shù)暮线m粒徑的導熱填料，一般選擇在10μm以下，以保證導熱膏的細膩度。
表：常溫下普通導熱填料的導熱系數(shù)
導熱膏分類
根據(jù)導熱膏填料成分不同，可將導熱膏分為以下三大類：
（1）陶瓷填料導熱膏
陶瓷填料具備優(yōu)異的熱性能和電絕緣性能，是制備導熱和電絕緣導熱聚合物復合材料的理想填料。陶瓷填料又可分為氧化物、氮化物和碳化物。其中氮化物具有最高的導熱系數(shù)，例如六方氮化硼具有與石墨烯相似的二維結構，有600W/(m·K）的超高面內(nèi)導熱系數(shù)。
掃描電子顯微鏡下導熱填料形貌圖：（a）氮化鋁，（b）氮化硼
（2）金屬填料導熱膏
金屬填料的導熱系數(shù)高、熱穩(wěn)定性優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低，其中液態(tài)金屬能表現(xiàn)出金屬化合物的延展性和導電性，同時具有液體流體的流動性和順應性。金屬填料的缺點也很明顯，不耐腐蝕，密度過高，與聚合物的相容性差不能充分發(fā)揮金屬的高導熱性能。
（3）碳材料導熱膏
碳基填料通常具有超高導熱系數(shù)，包括石墨、石墨烯、金剛石、炭黑和碳纖維等。添加少量碳基填料可以顯著提高聚合物的導熱系數(shù)。其中，石墨烯有望成為5G時代最流行的熱管理材料。為了保證復合材料在電絕緣性能的情況下能夠充分利用碳基填料的高導熱系數(shù)，科學界不斷開發(fā)各種方法，例如將碳基填料與陶瓷填料結合使用。
導熱膏性能
導熱膏作為傳遞熱量的媒介，無毒無味無腐蝕性，在工作中不僅不會腐蝕電子元器件，反而在導熱膏的保護下，可以使電子器件免受腐蝕性物質(zhì)影響，更安穩(wěn)發(fā)揮自身性能。導熱膏同時擁有優(yōu)異的電絕緣性和導熱性，耐高低溫，能夠在-60℃-250℃的溫度范圍里工作。
導熱硅脂（圖源自中石科技）
導熱膏最重要的導熱性能會受到界面熱阻的影響，為了提升導熱系數(shù)，使導熱填料之間形成更多的熱通道，目前常用的方法包括填料表面改性、填料混合、填料取向和3D填料網(wǎng)絡。
提高導熱系數(shù)最常見的方法是填料的表面改性，采用表面改性技術制備的復合材料可以有效地改善填料的分散性，從而降低界面熱阻。
填料在基體中的分布情況直接影響到導熱效果，現(xiàn)在已經(jīng)有很多策略來構建填料路徑。不同形狀和粒徑的同種填料混合，可以讓填料之間形成更加緊密的結構，不同填料混合后的協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)更高的導熱系數(shù)。
球形氮化硼和片狀氧化鋁填料在硅油中的分布示意圖
填料的定向排列可以使熱流沿著特定方向的路徑傳遞。具有1D或2D結構的填料在徑向上表現(xiàn)出比在垂直方向上更高的導熱系數(shù)，基體中的2D和3D填料可以通過設計取向結構，形成填料網(wǎng)絡，進而提高導熱系數(shù)。
導熱膏有導熱率高、附著壓力小、填充性好、再加工性好等優(yōu)點，實際應用時耐高溫耐老化，有良好的潤滑性和電絕緣性，可塑性好，成本低，可以更換。當然，也有尚未解決的缺點，不能重復和大面積地使用，因其具有流動性所以要注意涂抹過程，不可自動化操作，容易出現(xiàn)溢油現(xiàn)象且不易清潔。
隨著更多制備方法的出現(xiàn)，導熱膏有望成為更有性價比的熱界面材料。
導熱膏的實際應用
導熱膏依據(jù)其較為出色的導熱性能，廣泛應用于各種電子元器件、光學設備等行業(yè)的溫度平衡和散熱方面。使用金屬和碳基材料的作為導熱填料的導熱膏主要用于急需散熱的領域，而使用陶瓷材料的作為填料的導熱聚合物復合材料可用于對絕緣性要求較高的領域。
市場上接近90%的導熱膏都是硅基的（導熱硅脂），市場上有針對那些對硅敏感的應用推出的無硅潤滑脂。對于禁止使用硅脂的敏感應用，例如光學部件和汽車照明中，可選擇使用無硅系列產(chǎn)品。
導熱膏可應用的下游市場范圍很廣，消費電子、汽車電子、通訊設備、電子器件等領域的散熱問題都對導熱膏有越來越大的需求。
消費電子是導熱膏最大的應用市場，2021年時市場應用份額占比就已超六成。在半導體產(chǎn)業(yè)鏈上，導熱膏產(chǎn)品更貼近下游市場，其生產(chǎn)存在較高的技術壁壘，繼而企業(yè)能有較強的議價能力。
圖源自BERGQUIST
技術發(fā)展日新月異，要求導熱膏企業(yè)時刻保持與時俱進。消費電子領域，智能手機、筆記本電腦、智能穿戴設備等電子設備持續(xù)的高集成、小型化會增加設備內(nèi)的散熱量。汽車電子領域，電動汽車市場也需要有效的熱管理方案來維持電池性能和壽命。通信領域，5G基站內(nèi)電子元器件數(shù)量增加，基站正朝著小型化和集成化發(fā)展，空間變小以后導致產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)。傳統(tǒng)散熱方式已難以適應，隨之受歡迎的是高導熱效率、小體積的導熱材料，導熱膏在高效散熱方案中發(fā)揮著至關重要的作用，均勻涂抹在縫隙中可以防止運行環(huán)境過熱，保證性能發(fā)揮。
導熱膏行業(yè)競爭格局及市場情況
導熱膏行業(yè)的競爭較為激烈，高端市場的主要生產(chǎn)企業(yè)基本是國外企業(yè)，其競爭優(yōu)勢是技術優(yōu)勢，企業(yè)發(fā)展時間長，全球化程度高。
由于國內(nèi)市場導熱領域起步較晚，隨著市場需求越來越大，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量雖然迅速增加，但仍與國際先進技術水平存在一定差距。絕大多數(shù)的國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品同質(zhì)化高，品種少，技術含量不高，產(chǎn)品質(zhì)量和國際品牌間差距仍在，尚未形成產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和系列化，大多在價格上開展激烈競爭導致利潤空間日益縮小，只有少數(shù)企業(yè)逐漸具備了自主研發(fā)和生產(chǎn)中高端產(chǎn)品的能力，能夠提供導熱應用解決方案。
全球?qū)岣嗲笆笃放迫缦拢?/span>
1、DOWSIL陶熙（陶氏化學（中國）投資有限公司）
品牌發(fā)源地：美國
陶熙是陶氏公司旗下子品牌，原名道康寧，全球硅基技術及創(chuàng)新領域的領頭軍，其有機硅產(chǎn)品和解決方案應用在全球范圍內(nèi)眾多行業(yè)，服務全球多個國家和地區(qū)用戶。
2、ShinEtsu信越
品牌發(fā)源地：日本
信越化學工業(yè)株式會社始創(chuàng)于1926年日本，是全球知名高科技原材料的供應商，主要從事有機硅系列產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)�！靶旁接袡C硅”在全世界所開展的最高品質(zhì)有機硅產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)業(yè)務取得了巨大的業(yè)績。
3、Laird萊爾德
品牌發(fā)源地：英國
萊爾德集團始創(chuàng)于1898年英國，是全球知名的電磁材料、導熱界面材料和無線天線產(chǎn)品設計和制造商，產(chǎn)品廣泛應用于電信、數(shù)據(jù)通訊、手機等行業(yè)。2021年，全球知名化工企業(yè)杜邦公司完成了對Laird高性能材料業(yè)務的收購。
4、BERGQUIST
品牌發(fā)源地：美國
BERGQUIST成立于1964年美國，是漢高于2014年收購的熱管理解決方案品牌開發(fā)商和制造商，主要提供液態(tài)導熱填隙劑、導熱墊片、導熱膠、相變材料、導熱硅脂等界面導熱材料以及導熱絕緣金屬基板等產(chǎn)品，廣泛運用于汽車、消費電子、電信/數(shù)據(jù)通信、計算機以及智能手機通信。
5、Fujipoly
品牌發(fā)源地：日本
富士高分子工業(yè)由美國道康寧及日本中外株式會社于1978年合資建立，為工業(yè)用硅膠導熱產(chǎn)品的綜合制造商，旗下產(chǎn)品包括導熱絕緣硅膠皮、硅膠套、硅膠墊、硅膠脂（膏）、導電連接器、硅膠導光產(chǎn)品、LED用LENS等。
6、WACKER瓦克
品牌發(fā)源地：德國
瓦克成立于1914年，化學領域的技術領導者，積極活躍于有機硅、聚合物、生物科技和多晶硅市場的全球運營的特種化學品公司。瓦克的硅基產(chǎn)品約占集團銷售總額的70%，其余的產(chǎn)品則主要使用乙烯為原料。瓦克大約85%的銷售額來自德國境外。
7、Parker派克
品牌發(fā)源地：美國
Parker Chomerics（派克固美麗）成立于1943年，專業(yè)為全球各個領域的公司提供各種EMI電磁干擾屏蔽產(chǎn)品、熱管理產(chǎn)品以及注塑成型塑料解決方案，廣泛運營于IT、通用工業(yè)、軍事與航空、生命科學、電信設備、汽車電子、消費類電子等產(chǎn)品領域。
8、MOMENTIVE邁圖
品牌發(fā)源地：美國
美國邁圖高新技術材料有限公司創(chuàng)建于1938年，是一家美國獨立運營的全球性化學公司，它是世界專業(yè)的高科技材料解決方案供應商，業(yè)務涉及有機硅、石英和陶瓷行業(yè)。
9、德邦Darbond
品牌發(fā)源地：中國煙臺
德邦科技成立于2003年，為客戶提供封裝、粘合、散熱、裝配制造等功能性材料及專業(yè)技術服務的上市公司，專注研發(fā)、生產(chǎn)、銷售特種功能性高分子界面材料，主營電子封裝材料、導熱材料、導電材料、晶圓劃片膜、減薄膜等400余種產(chǎn)品。
10、JONES
品牌發(fā)源地：中國北京
北京中石偉業(yè)科技股份有限公司創(chuàng)辦于1997年，主要從事電磁兼容、屏蔽及導熱等產(chǎn)品自主研發(fā)和生產(chǎn)的上市公司，產(chǎn)品涵蓋熱管理材料、人工合成石墨材料、電磁屏蔽及IP密封材料、EMI濾波器、信號濾波器、EMI/EMC設計咨詢和整改等眾多業(yè)務領域。
根據(jù)研究報告，2023年全球?qū)岣嗍袌鲆?guī)模大約為174.48百萬美元，預計2029年將達到248.02百萬美元，未來幾年的年復合增長率（CAGR）為5.12%。
中國市場占據(jù)導熱膏生產(chǎn)市場40%的份額，是全球最大的導熱膏生產(chǎn)地區(qū)，其次是北美和日本市場。國內(nèi)的電子產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)集中在長三角、珠三角，根據(jù)相關產(chǎn)業(yè)集群效應，行業(yè)的區(qū)域性特性明顯，國內(nèi)導熱膏企業(yè)的主要生產(chǎn)地也圍繞在以上區(qū)域。
通過全球?qū)岣嗍袌鲣N售額數(shù)據(jù)來看，中國市場在過去幾年發(fā)展較快，預計到2028年能達到全球銷售占比的40%。國內(nèi)導熱膏消費地區(qū)集中在華東和華南地區(qū)，以消費電子和功率器件應用為主。
圖源自BERGQUIST
小結
導熱膏在實際應用的發(fā)展過程中，仍存在一些挑戰(zhàn)。理論上的高導熱率在特定應用中可能會存在一些局限性，原材料的成本會隨市場行情波動繼而影響企業(yè)的定價，下游市場對導熱膏的需求對于生產(chǎn)商來說存在一定的技術挑戰(zhàn)，層出不窮的熱管理技術例如熱管、均熱板等冷卻方案對導熱膏的應用提出了挑戰(zhàn)，由此，未來仍需要導熱膏的生產(chǎn)制造企業(yè)不斷地創(chuàng)新和技術研發(fā)。
參考來源：
[1]汪琦瑋.熱界面材料的界面熱阻問題研究
[2]陳冉冉等.低遷移絕緣導熱硅脂界面材料的制備及其性能研究
[3]沙振峰.具有高導熱系數(shù)的硅油基導熱膏的制備及其相關應用
[4]恒州博智產(chǎn)業(yè)研究：2023-2029全球及中國散熱膏行業(yè)研究及十四五規(guī)劃分析報告
[5]中國粉體網(wǎng)、雪球網(wǎng)、買購網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長蘇）
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