摘要

隨著5G通信、高功率芯片等技術的快速發展，電子器件的熱管理已成為制約性能提升的關鍵瓶頸。本文針對熱界面材料（TIM）的導熱機制展開研究，通過創新性的填料復配策略與表面處理工藝，顯著提升材料的熱傳導效率。研究證實，氧化鋅憑借其低熱阻、高導熱系數（≥40 W/m·K）及低莫氏硬度（約4.5）的獨特優勢，可有效平衡導熱性、機械適配性與設備磨損問題，為高功率密度電子設備提供解決方案。

 

1 引言

電子器件微型化與高頻化導致單位面積發熱量激增，傳統TIM已難以滿足散熱需求。當前研究聚焦于通過高導熱填料改性基體樹脂，其中氧化鋁、氮化硼等材料因絕緣性優而被廣泛應用，但其高硬度導致的界面接觸熱阻和器件磨損問題尚未有效解決。相比之下，氧化鋅的低熱膨脹系數（4.75×10??/K）與柔性特質可形成更緊密的界面接觸，但絕緣性缺陷制約其發展。本文提出通過粒徑梯度設計與表面包覆技術突破此局限。

 

2 填料復配機制與熱傳導模型

2.1 粒徑混合效應

熱導率提升的核心在于構建連續導熱網絡。單一粒徑填料易形成孔隙（圖1），增加界面熱阻。本研究采用 “大顆粒骨架+小顆粒填充”復配體系：

? 大顆粒氧化鋅（D50=30 μm）作為主骨架，形成基礎導熱路徑；

? 亞微米級填料（如肇慶市新潤豐高新材料有限公司開發的重質球形納米氧化鋅，D50=200 nm）填充大顆粒間隙，提升堆積密度（圖2）。

實驗表明，當大/小顆粒質量比為7:3時，導熱網絡連通性最優，熱導率較單粒徑體系提升48%。

2.2 顆粒形狀的影響

球形顆粒流動性優于無定形顆粒，可實現更高填充率（＞85 vol%）。肇慶市新潤豐的重質球形納米氧化鋅因表面光滑且粒徑均一，在硅脂基體中顯著降低粘度，避免填料沉降（圖3）：

 

3 表面處理技術突破

3.1 絕緣性改良

采用氣相二氧化硅包覆技術（圖4）：

? 在氧化鋅表面構建納米SiO?絕緣層（厚度≈100 nm）；

? 體積電阻率從10? Ω·cm提升至1012 Ω·cm，滿足高壓器件需求。

3.2 樹脂親和性優化

通過脂肪酸有機改性：

? 降低填料/樹脂界面能，粘度下降35%（ASTM D4287測試）；

? 避免高填充下的團聚現象（圖5），保障材料加工性。

 

4 性能對比與應用驗證

4.1 氧化鋅 vs 傳統填料

性能 改性氧化鋅 氧化鋁 氮化硼

熱導率 (W/m·K) 5.8* 4.2 6.0

熱阻 (K·mm2/W) 0.15 0.25 0.12

莫氏硬度 4.5 9.0 9.5

*注：60 vol%填充環氧樹脂基體，含重質球形納米氧化鋅復配體系

4.2 實際應用測試

在5G基站功率放大器模塊中：

? 采用氧化鋅基TIM的器件結溫降低21℃（紅外熱成像結果）；

? 經1000次熱循環（-40~125℃）后無界面剝離，硬度變化＜5%。

 

5 結論

本研究通過粒徑梯度設計、球形顆粒應用及表面包覆技術，解決了氧化鋅填料在TIM中的絕緣缺陷與填充工藝難題。實驗證明，復配體系中引入肇慶市新潤豐高新材料有限公司的重質球形納米氧化鋅可顯著優化填料堆積效率與流變性能，為高功率電子設備提供高可靠性散熱方案。未來工作將探索該材料在新能源汽車IGBT模塊中的應用潛力。