了不起的“夹心层”，芯片散热没它不行！

热界面材料（TIMs）是用于涂覆在散热器件与发热器件之间，降低它们之间接触热阻所使用的材料。当前电子器件朝着高功率方向发展，器件功率密度的提升，会使热流密度急剧上升。AI GPU等高性能计算芯片功耗已达千瓦级，若热量不能及时导出，将极大地影响设备的使用性能和寿命。为保证芯片工作产生的热量能够迅速传递到热沉，需要使用热导率高、电绝缘、粘接性好以及介电常数低的热界面材料填充二者的空隙，降低其接触热阻，提高热量传递效率。

根据在电子元件中应用的位置，TIMs可以分为TIM1和TIM2。TIM1用于芯片与CPU金属外壳之间，须具备电绝缘性能，防止芯片短路，多为聚合物基复合TIMs。TIM2用于外壳与散热器之间，没有电绝缘性能的要求，多为碳基TIMs。

01 热界面材料组成

常见的TIMs是由聚合物基体和导热填料组成，整体热导率由聚合物和填料的热导率、聚合物和填料之间的界面热阻以及填料之间的界面热阻决定。

聚合物基体包含高分子聚合物、有机硅以及合成树脂等材料。有机硅包含硅油、硅树脂、硅橡胶三大类。硅油为液态，具有良好的流动性，主要用于导热硅脂基材的制备；硅树脂能在室温下固化，有一定的粘接性，主要用于导热胶粘剂基材的制备；硅橡胶具有良好的弹性，有绝缘密封的作用，主要用于导热垫片和导热凝胶基材的制备。

除了聚合物基体，液态金属在室温下保持液态，具有导电性好、热导率高等特点，其性质不会因形态改变而受到影响，因此液态金属作为非绝缘TIMs的基体也具有很大的优势。

填料型高导热聚合物作用机理

通过引入高导热填料并在基体中构建有效的热传导通路，可显著提升复合材料的热导率。常用的导热填料主要包括陶瓷填料、金属填料、碳填料等。金属填料，如金、银、铜、铝、铁和镍，凭借其内部自由电子运动而具备极高的热导率，适用于电绝缘要求较低的应用；碳纳米管(CNTs)、石墨烯、碳纤维(CF)和金刚石等碳材料表现出超高热导率，被广泛用作制备高性能聚合物基热界面材料的填料；陶瓷填料如氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)等兼具高导热性与优良的电绝缘性，是制备绝缘导热复合材料的理想选择。

02 热界面材料种类

热界面材料按形态与应用特性大致分为导热凝胶、导热硅脂、导热垫片、导热相变材料等。

导热凝胶。导热凝胶由高导热填料和硅胶（弱交联固化）制备而成，在封装前为液态，封装完成后形成柔性的固态材料，有效避免了泵出效应。导热凝胶易加工成型、工艺简便且可实现全自动封装，目前已经广泛应用于微型电子器件领域。

图源：飞荣达

导热硅脂。导热硅脂又称导热膏，通常由流动性较好的黏性基体与高导热填料经脱泡法制成。常用的导热硅脂基体有二甲基硅油、乙烯基硅油、氢化硅油等。经高导热填料导热强化后，导热硅脂热导率可达1-10 W/(m·K)。导热硅脂对大部分基板具有较好的润湿性，且能实现较薄的厚度。但是导热硅脂在封装过程中容易溢出，且存在泵出效应、易干燥、寿命短等缺点，因此需频繁更换以保证其性能。

图源：中石科技

导热垫片。导热垫片是由高分子弹性聚合物结合高导热填料制成的片状柔性热界面材料。高分子弹性聚合物高度交联呈现固态，相对于导热硅脂操作难度低。导热垫片的BLT一般在0.2-3 mm之间，能有效适应不同热源间的高度差，对热应力吸收能力强，能提供一定的抗震性，无泵出效应；缺点在于较大的BLT增大了热界面材料体热阻，因此导热垫片热导率提升成为该材料的研究重点。

图源：汉高

导热相变材料。导热相变材料能够随着温度的变化由固态变成液态，通过产生的相变焓排除热量。它凭借低成本、特有的储热性能以及灵活精准的控温功能而受到了热管理方面的极大关注。但该材料导热能力有所缺乏，实际应用中通常加入高导热的填料制备复合导热相变材料以填补短板，使其能够实现高效的热传导，通常采用的填料有氧化铝、氮化硼等。

图源：傲川科技

03 热界面材料市场规模

全球热界面材料市场由海外企业主导，高端市场尤其被国际品牌垄断。据华经情报网数据显示，汉高、3M、信越化学、霍尼韦尔国际以及陶氏化学等企业凭借广泛的产品布局和强大的制造能力，占据约45%至50%的市场份额，杜邦、松下、日本电化等中型企业共同占据约30%至40%的市场份额。

在国内市场，随着5G的商用化，电子材料国产化进程加速以及导热散热材料在多应用领域的持续拓展，我国热界面材料市场规模持续增长，2024年中国市场规模达到10.27亿美元，预计2031年将达到21.64亿美元，年复合增长率预计为11.09%。

热界面材料可适配绝大多数电子元器件与终端设备。随着AI、5G及高功率硬件加速普及，TIM的价值不再局限于基础散热，还同步承载导电、电磁屏蔽等复合功能；片状、膏状、固态、液态等多品类产品形态持续迭代，拉动行业市场规模稳步扩张。长远来看，热界面材料在热管理体系中的战略地位将进一步凸显。

参考来源：
[1]彭昊燕等：微电子封装用芯片散热界面材料研究进展
[2]赖倩等：聚合物基热界面材料的研究进展
[3]曹可慰等：封装用热界面材料标准体系化发展建议
[4]张信峰：复合热界面材料导热强化机理及定向调控方法研究