電子設(shè)備及集成電路的縮小化、智能化，元器件密度和功率不斷增加，使得電子設(shè)備的高效散熱成為行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。目前，針對提高電子器件及設(shè)備導(dǎo)熱性能，可以采用導(dǎo)熱硅脂等熱界面材料，以及向基體材料中添加具有高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱填料，來提高散熱效率，且其應(yīng)用較為廣泛。另外可以將金剛石、石墨烯、碳納米管作為增強(qiáng)相來制造復(fù)合材料，雖然其熱導(dǎo)率最高可達(dá)600 W/(m·K)，但其制備工藝復(fù)雜，制作成本較高，因此實(shí)際應(yīng)用較為困難。

另外，也有一些企業(yè)推出導(dǎo)熱涂層的方案，即在器件及設(shè)備的外表面噴涂一層高熱導(dǎo)率、長期服役的高導(dǎo)熱涂層，熱量會(huì)先以傳導(dǎo)散熱的方式到達(dá)涂層表面，依靠涂層的導(dǎo)熱、輻射的共同作用，快速散失熱量，使物體表面和內(nèi)部溫度下降，最終實(shí)現(xiàn)降溫散熱的目的。

導(dǎo)熱涂層的分類及性能特點(diǎn)

目前，導(dǎo)熱涂層根據(jù)制備方法和材料體系，分為三大類。

第一類包括以噴涂技術(shù)制備的金屬基純銅涂層、金屬基金剛石/銅復(fù)合涂層、金屬基納米氧化鋁-4%碳納米管復(fù)合涂層、金屬基石墨烯復(fù)合涂層。制備導(dǎo)熱涂層的噴涂技術(shù)主要包括冷噴涂、超音速等離子噴涂和熱噴涂技術(shù)。

熱噴涂技術(shù)

第二類是以磁控濺射技術(shù)制備的金屬基單層、復(fù)合SiC涂層以及Si基表面沉積的AlN涂層、DLC涂層。磁控濺射技術(shù)制備導(dǎo)熱涂層時(shí)，通過調(diào)整涂層沉積溫度、涂層厚度及優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)等方式，可提高涂層的熱導(dǎo)率，進(jìn)而提高導(dǎo)熱性能。

磁控濺射技術(shù)

第三類是在非金屬基硅脂、有機(jī)樹脂中添加氧化鋁、二氧化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼顆粒為填料制備的導(dǎo)熱涂層。這主要是因?yàn)轭w粒具有較高的熱導(dǎo)率，可以更好地提高涂層的熱導(dǎo)率。

在器件或設(shè)備表面涂覆導(dǎo)熱涂層，通常需要發(fā)揮如下作用：

（1）高導(dǎo)熱率。涂層的導(dǎo)熱能力主要由熱導(dǎo)率決定，在基體表面沉積一層具有高熱導(dǎo)率的涂層，可以提高器件或設(shè)備的導(dǎo)熱性能；

（2）抗腐蝕性。導(dǎo)熱涂層涂覆在設(shè)備外表面，在使用過程中會(huì)被腐蝕，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。因此，為了減小腐蝕帶來的影響，導(dǎo)熱涂層應(yīng)具備抗腐蝕性；

（3）表面結(jié)合強(qiáng)度良好。在實(shí)際使用過程中，涂層可能會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)、磨損等使用環(huán)境，發(fā)生開裂和剝落，進(jìn)而影響設(shè)備或器件的導(dǎo)熱能力，最終影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此導(dǎo)熱涂層需要具備結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

導(dǎo)熱涂層制備技術(shù)

一、冷噴涂技術(shù)

冷噴涂是一種金屬噴涂工藝，但是它不同于傳統(tǒng)熱噴涂，它不需要將噴涂的金屬粒子融化，所以噴涂基體表面產(chǎn)生的溫度較低，通常不會(huì)超過150℃。由于噴涂溫度較低，發(fā)生相變的驅(qū)動(dòng)力較小，固體粒子晶粒不易長大，氧化現(xiàn)象很難發(fā)生。因而適合于噴涂溫度敏感材料如納米相材料、非晶材料、氧敏感材料（如銅、鈦等）、相變敏感材料（如碳化物等）。

冷噴涂技術(shù)具有噴涂溫度低、涂層孔隙率低、涂層致密度高等特點(diǎn)，用其制備高導(dǎo)熱涂層可以實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率。這是因?yàn)榭諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體，其在封閉狀態(tài)下的熱導(dǎo)率只有 0.023 W/(m·K)，所以降低涂層的孔隙率，提高致密度有利于實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率。

目前主要以鋁合金為基體，噴涂純銅粉末及銅復(fù)合粉末制備高導(dǎo)熱涂層。

研究表明，通常厚涂層的熱導(dǎo)率比薄涂層的熱導(dǎo)率高，將涂層進(jìn)行退火處理后，涂層的孔隙率進(jìn)一步降低，致密度進(jìn)一步提高，隨著退火溫度的升高，熱導(dǎo)率也會(huì)相應(yīng)的增加。

冷噴涂厚薄Cu涂層致密度對比

二、熱噴涂技術(shù)

制備高導(dǎo)熱涂層的熱噴涂技術(shù)，主要有等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)及爆炸噴涂技術(shù)。熱噴涂基體材料不受限制，可以是金屬和非金屬，也能在各種各樣基體材料上實(shí)現(xiàn)噴涂，操作流程較簡便，但由于熱噴涂涂層有著特殊的層狀結(jié)構(gòu)和若干微小氣孔，涂層與底材的結(jié)合通常是機(jī)械方式,其結(jié)合強(qiáng)度較低。在許多情況下,熱噴涂可以造成相變、一部分元素的分解和揮發(fā)以及一部分元素的氧化。

熱噴涂技術(shù)原理

目前噴涂粉末主要有銅粉、鎢/銅混合粉末、金剛石/銅混合粉末、氧化鋁粉末、氧化鋁/碳納米管混合粉末等，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混合粉末制備涂層會(huì)導(dǎo)致涂層的熱導(dǎo)率不同。

值得一提的是，熱噴涂技術(shù)將噴涂粉末加熱至熔化或半熔化的狀態(tài)，在噴涂過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力（主要是熱應(yīng)力和壓應(yīng)力）。噴涂溫度較高，導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生，且粉末撞擊基體表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，在熱應(yīng)力和壓應(yīng)力的共同作用下，會(huì)造成涂層物相的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致整體熱導(dǎo)率的降低。

此外，不同粉末的制備方法也會(huì)影響涂層的熱導(dǎo)率，因此通過熱噴涂技術(shù)，選取高導(dǎo)熱率、熔點(diǎn)高的粉末來制備高導(dǎo)熱涂層，會(huì)取得更好的散熱性能。

氣霧法與球磨法制備粉末的涂層性能對比

三、磁控濺射技術(shù)

磁控濺射是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的一種。一般的濺射法可被用于制備金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等多材料，且具有設(shè)備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，后來更是實(shí)現(xiàn)了高速、低溫、低損傷。磁控濺射能精準(zhǔn)控制膜層厚度，既可以沉積金屬膜層，也可以沉積非金屬膜層、化合物膜層，只是通常氣體離化率較低，濺射率需要提高。

目前主要通過非平衡磁控濺射、真空磁控濺射、直流磁控濺射、高能脈沖磁控濺射及射頻磁控濺射等磁控濺射技術(shù)沉積AlN、Ge、SiC薄膜，制備高導(dǎo)熱涂層。

對于磁控濺射技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層，沉積溫度越高，則涂層致密度越高，從而提高涂層的整體熱導(dǎo)率。此外，涂層厚度對熱導(dǎo)率的影響也很大，隨著涂層厚度的增加，熱導(dǎo)率提高，但熱導(dǎo)率不會(huì)隨著涂層厚度一直增加。并且在制備過程中，涂層材料的結(jié)構(gòu)對涂層的熱導(dǎo)率也有一定的影響，通常晶體結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率高于非晶體的熱導(dǎo)率。

磁控濺射制備涂層的原理圖

四、涂料技術(shù)

對于涂料技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層，對熱導(dǎo)率影響最大的因素是填料本身的熱導(dǎo)率及填料的級配。通過添加具有高熱導(dǎo)率的填料及調(diào)節(jié)混合填料之間的級配，可以有效地提高涂料涂覆后涂層整體的熱導(dǎo)率。

但涂料技術(shù)制備導(dǎo)熱涂層的熱導(dǎo)率并不是特別的高，這可能是由于本身基體的熱導(dǎo)率很低，添加具有高導(dǎo)熱填料后，填料不能均勻地分布在基體中，不能形成完整的導(dǎo)熱通路，降低涂層整體的熱導(dǎo)率。理想的制備高導(dǎo)熱涂層的涂料技術(shù)應(yīng)選取高導(dǎo)熱顆粒，并能在基體中分布均勻，通過一定的排布方式在基體中形成完整的導(dǎo)熱通路。

總結(jié)

通過對比四種制備導(dǎo)熱涂層的方法可以發(fā)現(xiàn)，基于冷噴涂技術(shù)特點(diǎn)制備的導(dǎo)熱涂層具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，且噴涂溫度低，具備一定的生產(chǎn)優(yōu)勢。但目前對于冷噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)涂層主要以噴涂銅粉為主，想要在電子電器設(shè)備中使用，其電絕緣性還不能滿足要求。

為了滿足小型化、微型化電子設(shè)備及電子電路的散熱需求，基于冷噴涂制備高熱導(dǎo)率且絕緣性良好的導(dǎo)熱涂層，可以采取分層技術(shù)制備復(fù)合涂層，在基體表面先噴涂一層絕緣的粉末，再噴涂具有高熱導(dǎo)率的粉末；或者是采用絕緣顆粒包裹銅粉，制備具有絕緣、高導(dǎo)熱、耐腐蝕、結(jié)合強(qiáng)度高的高導(dǎo)熱涂層。這將突破目前高導(dǎo)熱涂層的應(yīng)用限制，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱涂層的進(jìn)一步發(fā)展。

參考來源：

高導(dǎo)熱涂層制備及其性能研究進(jìn)展，林寧、李偉青、康嘉杰、秦文波、岳文、佘丁順、王成彪（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 鄭州研究院；3.中國地質(zhì)科學(xué)院，鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所）。

粉體圈 小吉

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