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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(shù)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(dǎo)致器件失效，進(jìn)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(yīng)用在電子散熱等領(lǐng)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(shí)際接觸面積僅1%到2%，空氣的熱傳導(dǎo)率極低僅為0.026Ｗ/(ｍ·Ｋ)，屬于不良導(dǎo)體，散熱效果差。當(dāng)熱量傳導(dǎo)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(dǎo)通道，大幅度降低接觸熱阻，充分發(fā)揮其散熱作用。
導(dǎo)熱界面材料作用示意圖
導(dǎo)熱膏概念
導(dǎo)熱膏作為一種導(dǎo)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(yīng)用在散熱器和熱源的界面上，可以有效地填充各種縫隙。
導(dǎo)熱膏是由基體材料和導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱膏體系中作主要應(yīng)用。含硅導(dǎo)熱膏又稱為導(dǎo)熱硅脂，是以有機(jī)硅酮為主要原料，添加導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料后制成的導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)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(xué)穩(wěn)定性，對基材無腐蝕。目前導(dǎo)熱膏市場上最主要的細(xì)分產(chǎn)品是硅基導(dǎo)熱膏，占據(jù)大約84.35%的份額。
導(dǎo)熱填料是添加在基體材料中用以提高導(dǎo)熱膏導(dǎo)熱性能的材料，常用的導(dǎo)熱填料包括金屬材料、碳基材料和陶瓷材料。想要制備高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膏，需要選用恰當(dāng)?shù)暮线m粒徑的導(dǎo)熱填料，一般選擇在10μm以下，以保證導(dǎo)熱膏的細(xì)膩度。
表：常溫下普通導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)
導(dǎo)熱膏分類
根據(jù)導(dǎo)熱膏填料成分不同，可將導(dǎo)熱膏分為以下三大類：
（1）陶瓷填料導(dǎo)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(dǎo)熱和電絕緣導(dǎo)熱聚合物復(fù)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(dǎo)熱系數(shù)，例如六方氮化硼具有與石墨烯相似的二維結(jié)構(gòu)，有600W/(m·K）的超高面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)。
掃描電子顯微鏡下導(dǎo)熱填料形貌圖：（a）氮化鋁，（b）氮化硼
（2）金屬填料導(dǎo)熱膏
金屬填料的導(dǎo)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(dǎo)電性，同時具有液體流體的流動性和順應(yīng)性。金屬填料的缺點(diǎn)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(dǎo)熱性能。
（3）碳材料導(dǎo)熱膏
碳基填料通常具有超高導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)熱系數(shù)，科學(xué)界不斷開發(fā)各種方法，例如將碳基填料與陶瓷填料結(jié)合使用。
導(dǎo)熱膏性能
導(dǎo)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(dǎo)熱膏的保護(hù)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(dǎo)熱膏同時擁有優(yōu)異的電絕緣性和導(dǎo)熱性，耐高低溫，能夠在-60℃-250℃的溫度范圍里工作。
導(dǎo)熱硅脂（圖源自中石科技）
導(dǎo)熱膏最重要的導(dǎo)熱性能會受到界面熱阻的影響，為了提升導(dǎo)熱系數(shù)，使導(dǎo)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(luò)。
提高導(dǎo)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(shù)制備的復(fù)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(dǎo)熱效果，現(xiàn)在已經(jīng)有很多策略來構(gòu)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(jié)構(gòu)，不同填料混合后的協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)更高的導(dǎo)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(jié)構(gòu)的填料在徑向上表現(xiàn)出比在垂直方向上更高的導(dǎo)熱系數(shù)，基體中的2D和3D填料可以通過設(shè)計(jì)取向結(jié)構(gòu)，形成填料網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高導(dǎo)熱系數(shù)。
導(dǎo)熱膏有導(dǎo)熱率高、附著壓力小、填充性好、再加工性好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)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(dāng)然，也有尚未解決的缺點(diǎn)，不能重復(fù)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(dǎo)熱膏有望成為更有性價比的熱界面材料。
導(dǎo)熱膏的實(shí)際應(yīng)用
導(dǎo)熱膏依據(jù)其較為出色的導(dǎo)熱性能，廣泛應(yīng)用于各種電子元器件、光學(xué)設(shè)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(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱膏主要用于急需散熱的領(lǐng)域，而使用陶瓷材料的作為填料的導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料可用于對絕緣性要求較高的領(lǐng)域。
市場上接近90%的導(dǎo)熱膏都是硅基的（導(dǎo)熱硅脂），市場上有針對那些對硅敏感的應(yīng)用推出的無硅潤滑脂。對于禁止使用硅脂的敏感應(yīng)用，例如光學(xué)部件和汽車照明中，可選擇使用無硅系列產(chǎn)品。
導(dǎo)熱膏可應(yīng)用的下游市場范圍很廣，消費(fèi)電子、汽車電子、通訊設(shè)備、電子器件等領(lǐng)域的散熱問題都對導(dǎo)熱膏有越來越大的需求。
消費(fèi)電子是導(dǎo)熱膏最大的應(yīng)用市場，2021年時市場應(yīng)用份額占比就已超六成。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上，導(dǎo)熱膏產(chǎn)品更貼近下游市場，其生產(chǎn)存在較高的技術(shù)壁壘，繼而企業(yè)能有較強(qiáng)的議價能力。
圖源自BERGQUIST
技術(shù)發(fā)展日新月異，要求導(dǎo)熱膏企業(yè)時刻保持與時俱進(jìn)。消費(fèi)電子領(lǐng)域，智能手機(jī)、筆記本電腦、智能穿戴設(shè)備等電子設(shè)備持續(xù)的高集成、小型化會增加設(shè)備內(nèi)的散熱量。汽車電子領(lǐng)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(lǐng)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(dǎo)致產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)。傳統(tǒng)散熱方式已難以適應(yīng)，隨之受歡迎的是高導(dǎo)熱效率、小體積的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱膏在高效散熱方案中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，均勻涂抹在縫隙中可以防止運(yùn)行環(huán)境過熱，保證性能發(fā)揮。
導(dǎo)熱膏行業(yè)競爭格局及市場情況
導(dǎo)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(shù)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(dǎo)熱領(lǐng)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(jìn)技術(shù)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)熱應(yīng)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(xué)（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(shù)及創(chuàng)新領(lǐng)域的領(lǐng)頭軍，其有機(jī)硅產(chǎn)品和解決方案應(yīng)用在全球范圍內(nèi)眾多行業(yè)，服務(wù)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(xué)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(yīng)商，主要從事有機(jī)硅系列產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)�！靶旁接袡C(jī)硅”在全世界所開展的最高品質(zhì)有機(jī)硅產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)業(yè)務(wù)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(tuán)始創(chuàng)于1898年英國，是全球知名的電磁材料、導(dǎo)熱界面材料和無線天線產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造商，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電信、數(shù)據(jù)通訊、手機(jī)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(wù)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(dǎo)熱填隙劑、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱膠、相變材料、導(dǎo)熱硅脂等界面導(dǎo)熱材料以及導(dǎo)熱絕緣金屬基板等產(chǎn)品，廣泛運(yùn)用于汽車、消費(fèi)電子、電信/數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)以及智能手機(jī)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(dǎo)熱產(chǎn)品的綜合制造商，旗下產(chǎn)品包括導(dǎo)熱絕緣硅膠皮、硅膠套、硅膠墊、硅膠脂（膏）、導(dǎo)電連接器、硅膠導(dǎo)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(xué)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，積極活躍于有機(jī)硅、聚合物、生物科技和多晶硅市場的全球運(yùn)營的特種化學(xué)品公司。瓦克的硅基產(chǎn)品約占集團(tuán)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(lǐng)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(yùn)營于IT、通用工業(yè)、軍事與航空、生命科學(xué)、電信設(shè)備、汽車電子、消費(fèi)類電子等產(chǎn)品領(lǐng)域。
8、MOMENTIVE邁圖
品牌發(fā)源地：美國
美國邁圖高新技術(shù)材料有限公司創(chuàng)建于1938年，是一家美國獨(dú)立運(yùn)營的全球性化學(xué)公司，它是世界專業(yè)的高科技材料解決方案供應(yīng)商，業(yè)務(wù)涉及有機(jī)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(shù)服務(wù)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(dǎo)熱材料、導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)咨詢和整改等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域。
根據(jù)研究報(bào)告，2023年全球?qū)岣嗍袌鲆?guī)模大約為174.48百萬美元，預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到248.02百萬美元，未來幾年的年復(fù)合增長率（CAGR）為5.12%。
中國市場占據(jù)導(dǎo)熱膏生產(chǎn)市場40%的份額，是全球最大的導(dǎo)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(guān)產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)，行業(yè)的區(qū)域性特性明顯，國內(nèi)導(dǎo)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(yù)計(jì)到2028年能達(dá)到全球銷售占比的40%。國內(nèi)導(dǎo)熱膏消費(fèi)地區(qū)集中在華東和華南地區(qū)，以消費(fèi)電子和功率器件應(yīng)用為主。
圖源自BERGQUIST
小結(jié)
導(dǎo)熱膏在實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展過程中，仍存在一些挑戰(zhàn)。理論上的高導(dǎo)熱率在特定應(yīng)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(dǎo)熱膏的需求對于生產(chǎn)商來說存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，層出不窮的熱管理技術(shù)例如熱管、均熱板等冷卻方案對導(dǎo)熱膏的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，由此，未來仍需要導(dǎo)熱膏的生產(chǎn)制造企業(yè)不斷地創(chuàng)新和技術(shù)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(dǎo)熱硅脂界面材料的制備及其性能研究
[3]沙振峰.具有高導(dǎo)熱系數(shù)的硅油基導(dǎo)熱膏的制備及其相關(guān)應(yīng)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(bào)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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