随着5G时代的到来，电子设备的不断升级，正朝着小型化、集成化、高能量密度的方向发展。然而高性能的设备器件在工作时将会散发更多的热量，从而影响其稳定性、可靠性和使用寿命温度过高导致的电子设备系统热故障约占所有故障的55%，那么如何控制温度从而确保电子设备高速运转至关重要。业界普遍认为，未来电子产品发展的关键在于能否制备出有效的散热材料。一般来说，散热过程主要包括4个阶段：（a）装置本身内部的传热；（b）元器件与散热器之间的传热；（c）通过散热器的传热；（d）从散热器到周围环境的传热。而元器件与散热器之间的传热通常被认为是重要的阶段。

       元器件与散热器贴合时只在接触表面凸起的顶部接触[6]，接触表面上凸起形成的微小空气间隙（如图1所示）可能导致导热性能变差[7]。采用高导热系数的热界面材料（TIM）填充空隙（如图2所示），可以大幅增强界面之间的热传导。一种为发热器件提供高度可靠的热管理材料正在广泛被应用于电子设备当中，它就是导热凝胶。

导热凝胶的组成

      导热凝胶是一种半固体状的导热材料，分为硅系和非硅系两类。硅系导热凝胶由基础硅油、交联剂、扩链剂和导热填料等组成，目前用于导热凝胶的基础硅油主要有二甲基硅油、乙基硅油、羟基硅油、含氢硅油、长链烷烃基硅油、氟硅油及各种有机基改性硅油。非硅系导热凝胶的基础材料为树脂。提高导热凝胶导热性能的途径有两种。第1种是通过改变聚合物分子链的结构和排列来提高其固有导热性，由于该方法工艺复杂，成本较高，很难大规模推广应用。与之相比，第2种是最常用的方法，是将高导热填料加入聚合物基体中，制备填充型导热复合材料。导热填料的加入是实现导热凝胶高导热的必要条件，填料种类、含量、尺寸和形状对导热凝胶的热导率有较大影响，此外填料的结构、空间排列以及取向也对导热凝胶的热导率有一定影响。

导热凝胶的优点

      1、优异的导热性能。导热凝胶相对于导热垫片，更柔软且具有更好的表面亲和性，可以压缩至非常小的厚度，最薄至0.1mm，使传热效率显著提升。此时的热阻可以在0.08℃·in2/W-0.3℃·in2/W，达到部分硅脂的性能，既为电子产品提供了高保障的散热系数，也为电子产品(尤其是需要高散热产品)在使用过程中的稳定起到保障作用，提高了产品的使用性能及寿命；

      2、具有优越的电气性，耐老化、抗冷热交变性能（可在-40~200℃长期工作）、电绝缘性能，防震、吸振性及稳定性，增加了电子产品在使用过程中的安全系数；

      3、满足多种应用场合。它对厚度无敏感性，在设备组装过程中具有良好的自适应性，兼容相关器件或结构件在尺寸公差上带来的影响。能够提供在低压或者无压力状态下保证发热面和散热面的良好接触。

      4、成型容易，厚薄程度可控；高导热凝胶产品无需冷藏，常温存储，取用方便。

      5、体系为无色透明（除特殊用途）可以用色料配成任意颜色使用。

      6、连续化作业优势。导热凝胶操作方便，可手动施胶也可机械施胶。常用的连续化使用方式是机械点胶，能够实现定点定量控制，满足任何工作环境及工况场所，节省人工同时也提升了生产效率。

导热机理

      根据热动力学理论，固体物质中的热传导可以看作是通过微观粒子的热振动进行的，而微观粒子的载流子主要包括电子、光子和声子。将高导热填料加入聚合物中是提高其导热性的有效方法。填充型导热复合材料的热传导机理主要包括热传导途径理论、热传导渗流理论和热弹性系数理论。根据热传导途径理论，导热填料在聚合物基体中通过相互接触和重叠形成连续的传热路径，如图3所示。

       在填料含量较小时，填料颗粒与基体之间形成海岛结构，填料颗粒像岛屿一样分布在基体中，很难相互接触和重叠，无法形成有效的传热路径，导致复合材料的热导率较小；随着导热填料含量的增大，填料颗粒之间相互接触和重叠，在基体中逐渐建立起连续的传热路径，从而明显改善复合材料的导热性能。

导热凝胶怎么选

        导热凝胶有单、双组分的区别，两者最大的区别是单组份导热凝胶类似于导热硅脂，而双组份导热凝胶类似导热硅胶片，一般情况下，单组份导热凝胶不会固化，一直保持润湿状态，出油率较高。（注：目前也有特殊用途的，单组份也有可固化）。双组分导热凝胶会固化，固化成弹性体，有一定的粘结性，出油率低。两者根据自身特性不同而进行选择其所合适的应用场合。

导热凝胶的使用方法

       手动型的导热胶使用时需要拧开嘴盖，接上螺纹混合头，再将胶管卡在AB胶枪的卡口，用力打胶，AB胶被胶枪挤出到混合头，在螺纹引导下完成均匀混合，最后按照散热结构设计将混合均匀的导热胶点到发热位置。点胶型的导热凝胶直接按照点胶机的使用说明操作即可。

        不同导热率、不同厂家的导热凝胶的固化时间不一样，而且固化的温度对其固化时间有影响，只有严格参考对应的说明书操作即可。一般的，当A、B胶从混合头中接触开始，胶体会先经历粘度升高，表面逐渐变干，内部硬化，硬度不断升高的过程，当最后硬度不再发生变化时，说明导热凝胶已经完全固化成弹性体。

        注：导热凝胶不同于粘接胶，其粘接力较弱，不能用于固定散热装置。

导热凝胶的应用

        导热凝胶广泛地应用于LED芯片、通信设备、手机CPU、内存模块、IGBT及其它功率模块、功率半导体领域。

        1、典型应用包括在汽车电子上的驱动模块元器件与外壳之间的传热，如发动机控制单元，镇流器，燃油泵的控制及助力转向等模组上使用，其主要起到高保障的散热并提高产品的使用性能及寿命。

        2、LED球泡灯中驱动电源。在出口的LED灯中，为了通过UL认证，生产厂家多采用双组份灌封胶进行灌封。以目前LED灯珠的质量，出口到美国的灯均要求5万小时的质保是没有问题的，出故障的是电源，采用灌封胶进行灌封后的电源是无法拆卸的，只能将整灯进行报废、更换。

        如果采用导热凝胶对电源进行局部填充，可以有效地进行热量导出，如果电源有问题也可方便地进行电源更换，为企业节省了成本。但若是对于要求防水的灯，仍需选用灌封胶而不是凝胶。因为导热凝胶固化后粘接性不强，所以无法做到防水防潮。

        3、LED日光灯管。对于电源放在两头的设计，为了不大量占用灯管的尺寸，两头电源的空间设计的比较小，而1.2米LED日光灯的功率通常会设计到18w到20w，这样驱动电源的热流密度就会很大。可将导热凝胶填进电源的缝隙，尤其是附着在功率器件上，以帮助散热，延长灯管的寿命。对于一些密封的模块电源，可以用导热凝胶进行局部填充以达到导热散热的效果。

        4、芯片的散热。类似的处理器和散热器中间的硅脂层是同样的原理，其作用是让处理器散发的热量能够更快的传递到散热器上，从而散发到空气中。

        5、手机处理器散热。在华为手机的处理器上便采用了导热凝胶，将其应用在芯片与屏蔽罩之间，减少芯片与屏蔽罩的接触热阻，可实现芯片组的高效散热。由于导热凝胶还具有卓越的润湿性，可确保低Rc（接触电阻）以实现热管理，即便在集成电路（IC）和中央处理器（CPU）等发热最多的智能手机部件也不易形成热点，比只贴有导热石墨的散热效果更好。值得注意的是，导热凝胶可轻易无残留剥离以用于返工，这对消费型设备来说是一大优势，深受智能设备厂家的喜爱。

导热凝胶研究进展

基础硅油体系

       在导热凝胶的制备中，通过调整基础硅油的相对分子质量、反应基团数量和位置可以改善导热凝胶的力学性能、涂敷性能、渗油性能、绝缘性能等。曹衍龙等以双端乙烯基硅油为基础硅油，含氢硅油为交联剂制备导热凝胶，研究表明双端乙烯基硅油的粘度偏低，导热凝胶的拉伸强度低，耐热性能也差；双端乙烯基硅油的粘度偏高，导热凝胶的流动性差，不利于涂覆，影响产品的使用，因此应选用不同粘度的基础硅油复配以达到最佳效果。Y.Q.CHEN等发现，使用高相对分子质量的乙烯基硅油制备的导热凝胶的渗油率很小，这是因为高相对分子质量的乙烯基硅油的运动和扩散能力相对较低。曾小亮等则采用铝粉和氧化锌（ZnO）作为导热填料制备一种低迟滞性导热凝胶，以双端乙烯基硅油分子链为主链，将单封端乙烯基硅油接枝在主链上以提高乙烯基硅油分子链之间的缠结作用，避免乙烯基硅油的自由移动，从而降低导热凝胶的迟滞性能，该研究制备的导热凝胶不仅具有低迟滞性能，而且热导率达到6.47W·m-1·K-1。赵秀英等通过分子支链结构设计制备的导热凝胶的基础硅油，不仅改善了导热凝胶的柔顺性能，还降低了其渗油性能。

交联与扩链体系

       导热凝胶的交联密度越大，渗油率越小，压缩应力越大，柔顺性能越差，越不利于填充热界面间微小间隙，会造成接触热阻增大。任琳琳等以含氢MQ树脂为交联剂制备导热凝胶，以在导热凝胶的交联网络中形成多官能交联点，从而提高导热凝胶的固有断裂能，所制备的导热凝胶的热导率最大可达10W·m-1·K-1，抗疲劳断裂能大于50J·m-2。戴如勇等分别用不同的交联剂制备导热凝胶，研究表明使用含有两个反应性官能团的交联剂可以降低导热凝胶的交联密度、硬度和应力。丁娉等以聚甲基乙烯基硅氧烷为基础硅油，端含氢硅油为扩链剂，侧链含氢硅油为交联剂制备导热凝胶，结果表明当只使用交联剂而不使用扩链剂时，制备的导热凝胶在受力后容易开裂，且基本无法自修复，当加入扩链剂时则可以解决这个问题；随着扩链剂与交联剂用量比的增大，导热凝胶的锥入度增大。导热凝胶作为TIM应具有低储能模量，这对于降低其接触热阻至关重要。K.CHANO等以乙烯基聚合物、悬垂氢化物聚二甲基硅氧烷制备导热凝胶，通过改变交联剂的聚二甲基硅氧烷的乙烯基与悬垂氢化物比例可以得到不同交联密度的导热凝胶；将交联剂替换为扩链剂（500-CP端氢聚二甲基硅氧烷），导热凝胶的模量可降低到未填充凝胶的原始值，热导率为1.24W·m-1·K-1。

非硅系导热凝胶

       多数TIM是基于硅基体系的导热凝胶，但在某些应用领域，如光学精密仪器、汽车电子、磁盘驱动器、医疗电子、LED等中需要非硅系的TIM。此外，非硅系的TIM无硅油挥发，不污染元器件，成本较低，且不会发生明显的迁移。值得注意的是，非硅系的导热凝胶基体往往可以进行多样化的基体结构设计，从而赋予导热凝胶更多特殊的性能。非硅系的导热凝胶往往以聚丙烯酸（PAA）、聚氨酯、聚烯烃等树脂体系为基础，其特点是易生成相对坚硬的弹性体。K.J.BRUZDA等以二嵌段和三嵌段苯乙烯共聚物、石蜡油和导热填料[三氧化二铝（Al2O3）]制备可逆导热凝胶，其热导率为0.9W·m-1·K-1，且有很好的柔顺性能。

       Y.LUO等采用离子交联、化学交联和氮化硼掺杂的方法制备氮化硼@十水硫酸钠导热凝胶（BN@SSD），BN@SSD的热导率可达1.2668W·m-1·K-1；将BN@SSD放到40℃的基材上，2min内BN@SSD的温度可从25.1℃升到32.4℃，且BN@SSD表现出良好的形态稳定性，可进行200次热循环。H.CAO等制备了一种相变导热凝胶（PCG），在PCG中将氮化硼@四氧化三铁（BN@Fe3O4）颗粒和PAA前驱体液引入聚乙二醇（PEG）水溶液中，并施加磁场，促进BN@Fe3O4沿磁场方向有序排列，因此PEG被交联PAA支撑网络包裹，形成具有优异形状稳定性的PCG；BN@Fe3O4的垂直取向结构使PCG在BN@Fe3O4负载为25.6%的情况下热导率达到1.07W·m-1·K-1，与不含BN@Fe3O4的复合材料相比，热导率增大了215%。张亮等以聚α烯烃和三羟甲基丙烷酯为基体，过氧化氢二异丙苯为交联剂，石蜡和高密度聚乙烯为相变材料，Al2O3和氮化铝（AlN）为导热填料制备PCG，该PCG具有极佳的导热性能，借助相变材料的传热系数大、密度大、比热容大的优点，其热导率可达5.52W·m-1·K-1。

碳基材料

       碳基材料如石墨、石墨烯和碳纳米管等因其低密度和高导热性，已广泛应用于导热填料。石墨烯以多种形式存在，包括氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯和石墨烯纳米片（GN）。碳纳米管具有单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的形态。碳基材料的理论热导率远远大于陶瓷材料，但由于碳基材料的固有缺陷，即分散性差和接触热阻高，加入碳基材料的导热凝胶的热导率仍然难以超过10W·m-1·K-1。有研究制备了一种氧化石墨烯-硅胶导热硅凝胶（GO-SG），发现GO-SG在GO质量分数大于3%的情况下，其流动性几乎丧失。J.LIN等为了提高LED系统组件的热扩散效率，制备了GN热凝胶，发现导热凝胶的热导率随着GN质量分数的增大而增大，当GN质量分数为1.5%时，导热凝胶的热导率达到2.7W·m-1·K-1。孙明琪使用四氧化三铁作为磁性负载材料对金刚石表面进行改性制备磁性定向金刚石，并将其作为导热填料加入硅胶中，发现磁性定向金刚石/硅胶复合材料表现出更优异的导热性能，这表明磁性定向填料是一种在填料含量较低的情况下得到较高导热性能复合材料的方法。

结语

     导热凝胶具有热导率大，耐高低温性能和绝缘性能好，塑性、粘性和附着性强，且可重复使用等优点而被广泛应用。导热凝胶综合性能提高的关键在于合理设计基体和填料的性质，基体的设计可以从聚合物的类型、相对分子质量及其分布、交联剂、扩链剂等方面进行设计，并从改变分子链的结构和排列等方面改性聚合物；填料的设计可以从提高导热性方面进行探索，如对传统导热填料进行表面功能化以及设计复合填料。然而，导热凝胶仍有一些关键的科学问题和技术难点需要解决，今后可以在以下几个方面进行研究：（1）可通过增加基础硅油的可反应基团和调节交联剂与扩链剂的比例来改善硅系导热凝胶的渗油性能、迁移性能和涂敷性能；（2）进一步开发新型非硅系导热凝胶，如通过可逆交联、引入相变基体等方法提高导热凝胶的导热性能、柔顺性能和重复利用性能等；（3）通过对陶瓷材料和碳基材料表面功能化及多种导热填料复合等方法提高导热凝胶的导热性能；（4）在实现高导热的同时，也要关注导热凝胶的综合性能，如涂敷性能、渗油性能、重复利用性能、绝缘性能等。