热界面材料的分类及特点

热界面材料不仅需要优异的导热性能，还需具备绝缘性、良好的弹塑性、适当的流动性和黏性、低渗油性、低热膨胀系数、良好的冷热循环稳定性及适用性广等特点。热界面材料根据特性大致分为导热凝胶、导热硅脂、导热垫片和相变材料。

导热硅脂是一种高导热绝缘有机硅材料，属于液态材料，可添加较高体积比的导热填料，使用时无需固化处理。而缺点是易出现溢出和相分离问题，在使用过程中容易污染基底材料。

相变材料是一种通过高导热填充物的改性、拥有固-液相变特性的热界面材料。相变材料融合了导热垫片和导热硅脂的双重优点，在常温使用时易于安装，而当芯片温度升高时会变为液态填补界面间的孔隙缺陷，更易于芯片散热降温。这大大限制了相变材料的应用范围。在使用不同粒径导热填料时，小粒径导热填料会填充进大粒径导热填料形成的空隙当中，使内部形成密集堆积，增大导热填料间接触几率，形成紧密、稳定的热传导通路，使热界面材料的性能得到改善。在陶瓷材料中，氧化铝虽导热性能不是最佳，但由于种类繁多、制作工艺相对简单、价格低廉、可填充量大等优点而被广泛应用。其他几种材料虽具有较高的导热性能，但都由于价格偏高、制作工艺复杂、应用范围局限等原因，多被用于有特定需求的热界面材料。科学家发现填充纳米级氧化铝填料能更好地改善热界面材料的导热系数、拉伸强度以及黏性。

在填充金属填料时，由于金属颗粒优异的导热性能以及高温下优异的稳定性，多应用于高导热热界面材料中。有研究表明，液态金属热界面材料在 130℃的条件下可经受长达 3×10 m3 的老化，在﹣40℃至 80℃的温度内循环 1500 次，热性能和可靠性能不会显著降低；缺点是具有腐蚀性、流动性大且绝缘性差，通常须使金属填料与其他材料搭配添加或进行预处理后再使用。Chen 等发现添加纳米尺度的液态金属液滴可有效改善热界面材料的可靠性能并且不会破坏绝缘性能。

碳基材料具有比金属填料更高的导热系数，根据形貌区分为一维碳材料（如碳纤维、碳纳米管），二维碳材料（如石墨烯），三维碳材料（如石墨、金刚石等）。其中石墨烯由于自身优异的导热性能、导热各向异性、高强度等优点被广泛应用于高导热热界面材料，科学家对填充不同横向尺寸石墨烯对硅树脂复合材料的热性能的影响进行了研究，发现填充的石墨烯填料尺寸越大，制备出的硅树脂复合材料的可靠性能越强。

硅油的黏度

硅油的黏度对热界面材料的渗油以及老化性能的影响很大。硅油黏度过大，会使热界面材料内部气泡过多，阻碍交联反应的进行，使热界面材料可靠性能下降。席路等研究了乙烯基硅油黏度对硅橡胶性能的影响，与使用低黏度的乙烯基硅油相比，黏度高的乙烯基硅油由于乙烯基硅油分子链长，导致形成的硅橡胶交联密度极小，因此所制备的硅橡胶拉伸强度低、拉断伸长率小，而高黏度乙烯基硅油中乙烯基分子浓度高，使得硅橡胶拥有优异的反应转化率和热稳定性。

硅油的改性

对基础硅油的改性是以某些有机基团代替甲基硅油里的部分甲基基团，以改进硅油的某种性能，同时还能使热界面材料的性能得到相应的提升。任晓雯等发现改性硅油中若含有苯基，会使硅油表面张力有所提升，可有效降低导热硅脂的渗油性能，并且聚硅氮烷在加热条件下会与羟基封端的聚二甲基硅氧烷发生扩链反应，形成相对分子质量较高、密度更大的交联网络，使得制备的导热硅脂的可靠性能得到提升。

交联密度的控制

硅烷偶联剂是硅烷分子中同时含有 2 种不同反应基团的有机硅化合物，常作为导热填料的表面处理剂。陈波等研究了不同种类偶联剂对硅橡胶性能的影响，发现若偶联剂结构内部含有双键，会使制备的硅橡胶拉伸强度增强，并有效提升热界面材料可靠性能。硅烷交联剂的作用是使多个线型分子或轻度支链型大分子、高分子相互键合交联成三维网状结构，促进或抑制聚合物分子链间共价键或离子键的形成，令热界面材料的可靠性能得到改善。Li 等研究了聚合物基链长度和官能团含量对硅橡胶性能的影响，发现使用氢含量 0.50%、链长 50 的端甲基含氢硅油作为交联剂制备硅橡胶，可使其可靠性能得到有效提升。

交联速率的控制

在制备热界面材料过程中，Karstedt 铂金催化剂因具有活性高、用量少和选择性好等优点被广泛用于催化硅氢反应当中，但由于催化剂活化时间过短，往往组分还未混合均匀就开始聚合，所以常与催化剂抑制剂搭配进行使用。纪建业等研究了铂金催化剂使用量及实验温度对硅橡胶乙烯基转化率的影响，发现随催化剂用量增大，所产生出的铂黑会影响热界面材料的色泽，并使其柔韧度下降；随实验温度升高，乙烯基反应速率出现先增快后减小的现象，这是因为实验温度影响到催化剂活性，使乙烯基转化率出现增长，但当实验温度过高时，体系内副反应增多，导致乙烯基转化率下降。催化剂抑制剂可以降低铂催化剂的低温催化活性，延长反应时间，而在高温情况下会令催化剂快速恢复活性。许多化合物，如酯类、醇类、酮类、磺胺类、磷酸盐类、磷酸、含氮的衍生物、过氧化物和炔等可以作为铂催化剂的抑制剂。

 补强处理

补强剂的作用是使导热填料表面与弹性体界面间发生相互作用，提高热界面材料各项性能。使用过量时则会对热界面材料产生一些不良的影响，如应力松弛性能变差、弹性下降、滞后损失增大、压缩永久变形增大等。常用的补强剂有 MQ 硅橡胶、白炭黑、碳酸钙和蒙脱土等。科学家研究了白炭黑气相法补强氧化铝和氧化锌对导热凝胶老化性能的影响，实验发现在添加白炭黑后，随老化时间的延长，导热凝胶的热导率随之提升；电气强度虽降低但仍然能够保持在原来的 60%以上；硬度升高可达原来的 50%以上；压缩形变能力降低，但仍可保持原来的 40%以上，这说明使用白炭黑补强剂可有效改善导热凝胶的可靠性能。