在人工智能時(shí)代，散熱成為高算力、高集成度電子元器件的一大關(guān)鍵問題。只有選擇合適的導(dǎo)熱材料，才能有效將芯片工作時(shí)的熱量及時(shí)散發(fā)出去，防止芯片因過熱而性能下降或損壞。但是大多數(shù)情況下，高分子材料屬于熱的不良導(dǎo)體，需要使用導(dǎo)熱填料或改變其分子結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)來改變其導(dǎo)熱性能，從而制造出具有優(yōu)良性能的聚合物材料。這兩種方式雖然都可以實(shí)現(xiàn)改變聚合物的導(dǎo)熱性能的目的，但后者的處理方法較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，故常用向前者（聚合物基體中填充高導(dǎo)熱填料顆粒的方式）來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱性能的提升。接下來，小編將聚焦幾種常見的導(dǎo)熱填料，著重介紹它們的導(dǎo)熱機(jī)理及相關(guān)應(yīng)用。

理想晶體與無定形聚合物的導(dǎo)熱機(jī)理示意圖（圖源：文獻(xiàn)4）

導(dǎo)熱填料是一種添加到基體材料中以提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的填充材料，它們通常被添加到聚合物基體中，以改變純聚合物的導(dǎo)熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)一般低于0.5Wm^-1K^-1）。常見的導(dǎo)熱填料主要包括金屬類填料、碳類填料以及陶瓷填料。

1、金屬類填料

金屬類填料遵循著電子導(dǎo)熱機(jī)理，具有高導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性良好、電導(dǎo)率高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)其作為填料時(shí)，只要控制好添加的含量就可以很大程度上提高聚合物的導(dǎo)熱性和介電性。但金屬填料的密度通常較高，會增加最終復(fù)合材料的重量，對于便攜式的電子設(shè)備來說具有一定的限制。在導(dǎo)熱材料的使用過程中，存在需要導(dǎo)熱材料同時(shí)具備較高的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的絕緣性的情況，而金屬填料是電的良性導(dǎo)體，因此金屬填料在使用中會受到一定的限制。在這種情況下，就可以選擇使用金屬的氧化物、碳化物、氮化物替代金屬粉體作為導(dǎo)熱填料，以保證在具備高導(dǎo)熱系數(shù)的情況下，兼有高擊穿電壓和高絕緣性。常用于提高導(dǎo)熱性的金屬顆粒包括銅（Cu）、鋁（Al）、銀（Ag）、鎳（Ni）。

導(dǎo)熱機(jī)制：金屬中具有大量的自由電子，這些自由電子在電場的作用下可以自由移動(dòng)，當(dāng)存在溫度梯度時(shí)，自由電子會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域遷移，金屬主要就是通過電子的運(yùn)動(dòng)和碰撞來傳遞熱量。

應(yīng)用：Qian等利用納米銀修飾硅藻土與聚乙二醇（PEG）共混制備一種高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料。當(dāng)銀納米顆粒含量為7.2wt%時(shí)，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)可提高到0.82Wm^-1K^-1（比PEG/硅藻土高約127%）。同時(shí)，該復(fù)合相變材料在200次冷熱循環(huán)后，仍顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。Lu等通過一步法將導(dǎo)熱填料Fe₃O₄納米顆粒與石蠟共混制備復(fù)合相變材料，以增強(qiáng)石蠟的導(dǎo)熱性。該研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱填料的加入使石蠟在固態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)提高了53%，在液態(tài)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)提高了79%。

常溫下常見金屬填料的熱導(dǎo)率（圖源：文獻(xiàn)1）

2、陶瓷類填料

陶瓷類填料大多具有良好的導(dǎo)熱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，在電子封裝領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，要獲得這種具有顯著增強(qiáng)導(dǎo)熱性的陶瓷/聚合物復(fù)合材料，負(fù)載量通常會高于30vol%，有些復(fù)合材料甚至高達(dá)70vol%，這會導(dǎo)致復(fù)合材料的密度增加，韌性及加工性能降低。因此，在使用陶瓷類填料的時(shí)候，需要優(yōu)化填料的比例、大小、形狀，以達(dá)到不犧牲復(fù)合材料其他性能的前提下，實(shí)現(xiàn)所需性能的提升。常見的陶瓷填料包括氧化鋁（Al₂O₃）、氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）。

導(dǎo)熱機(jī)制：陶瓷類填料的導(dǎo)熱機(jī)制主要是聲子導(dǎo)熱，其中有部分陶瓷會使用光子傳導(dǎo)、電子傳導(dǎo)。聲子是晶格振動(dòng)引起的量子態(tài)，是固體熱傳導(dǎo)的主要載體，當(dāng)陶瓷填料受到熱激發(fā)時(shí)，晶格會振動(dòng)產(chǎn)生聲子，聲子在材料內(nèi)部傳播過程中會與材料中的雜質(zhì)、缺陷以及其他聲波相互作用，從而實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞。

應(yīng)用：Wie等將BN接枝到聚乙烯醇（PVA）表面后與聚乙二醇交聯(lián)制備導(dǎo)熱復(fù)合相變材料。使用該方法得到的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.89Wm^-1K^-1，較原始聚乙二醇的導(dǎo)熱系數(shù)提高約286%。Qian等將石蠟浸漬到有連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的氮化硼泡沫骨架中制備復(fù)合相變材料。其中含18wt%h-BN的復(fù)合相變材料的熔融潛熱約為165.4±1.7J/g，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)0.85Wm^-1K^-1，大約是純石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的6倍。

純PVDF與AlN/PVDF復(fù)合材料的紅外成像圖（圖源：文獻(xiàn)2）

3、碳基填料

常見的碳基填料是由碳的一系列同素異形體構(gòu)成的，包括碳納米管（CNT）、碳纖維（CF）、炭黑、金剛石、石墨烯（GR）等。碳基填料普遍具有較低的密度、極高的熱導(dǎo)率、耐熱性及抗氧化性，在高熱導(dǎo)率填充材料中極具應(yīng)用前景。

導(dǎo)熱機(jī)制：碳基填料的導(dǎo)熱能力根植于其原子結(jié)構(gòu)，它們受到碳-碳共價(jià)鍵間sp2雜化作用以及碳原子質(zhì)量較小的特點(diǎn)，使得晶格振動(dòng)可以高效的傳遞熱量，因此聲子成為導(dǎo)熱的主要載體。

應(yīng)用：Sun等將膨脹石墨摻入到聚乙二醇-氯化鈣中制備復(fù)合相變材料。研究發(fā)現(xiàn)膨脹石墨之間相互連接形成連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，能夠有效降低材料的界面熱阻，得到的復(fù)合相變材料導(dǎo)熱能力顯著提高。Sari等探究了碳納米管（CNT）對聚乙二醇/原硅藻土（RD）復(fù)合相變材料導(dǎo)熱性的影響。該研究制備的新型復(fù)合相變材料熔融溫度約為7-8℃，相變過程中的熔融潛熱在51.4-62.9J/g之間，加入碳納米管后復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高了73%-93%。

膨脹石墨/聚酰亞胺復(fù)合材料的制備流程圖（圖源：文獻(xiàn)5）

4、復(fù)合填料

研究發(fā)現(xiàn)，雖然單一填料可以形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，但是單一的填料往往難以在基體中完全分散，仍存在一些空隙。因缺陷、界面等因素引起的聲子散射和填充量過高導(dǎo)致的加工困難，使得單一填料很難讓復(fù)合材料達(dá)到理論熱導(dǎo)率。然而，通過將不同形狀、尺寸、類型的導(dǎo)熱填料進(jìn)行復(fù)配后，復(fù)合填料不僅可以有效減少聚合物基體中的空隙，構(gòu)建完整的導(dǎo)熱通路，還可以改善填料在聚合物基體中的分散性，為導(dǎo)熱復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了多種可能性。

應(yīng)用：Song等采用一維碳化硅納米線（SiCNWs）和二維還原氧化石墨烯（rGO）作為填料，采用冰模板組裝策略實(shí)現(xiàn)了SiCNWs/rGO網(wǎng)絡(luò)在垂直方向的定向排列，實(shí)現(xiàn)了低負(fù)載量下導(dǎo)熱復(fù)合材料的垂直導(dǎo)熱率的顯著提升（2.74Wm^-1K^-1），可達(dá)到純硅橡膠導(dǎo)熱率的16倍。

不同維度填料間復(fù)配的協(xié)同作用（圖源）

小結(jié)

導(dǎo)熱填料在導(dǎo)熱材料中具有舉足輕重的地位，填料的種類、尺寸、含量、形狀、比例、分布狀態(tài)、取向、表面性質(zhì)以及是否復(fù)配都會影響著材料的導(dǎo)熱性能。只有合理選用填料以及成型工藝，才可以有效改善、優(yōu)化材料的熱管理，進(jìn)而提升電子產(chǎn)品的可靠性、使用壽命，保障AI芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。

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