摘要

随着5G通信、高功率芯片等技术的快速发展，电子器件的热管理已成为制约性能提升的关键瓶颈。本文针对热界面材料（TIM）的导热机制展开研究，通过创新性的填料复配策略与表面处理工艺，显著提升材料的热传导效率。研究证实，氧化锌凭借其低热阻、高导热系数（≥40 W/m·K）及低莫氏硬度（约4.5）的独特优势，可有效平衡导热性、机械适配性与设备磨损问题，为高功率密度电子设备提供解决方案。

 

1 引言

电子器件微型化与高频化导致单位面积发热量激增，传统TIM已难以满足散热需求。当前研究聚焦于通过高导热填料改性基体树脂，其中氧化铝、氮化硼等材料因绝缘性优而被广泛应用，但其高硬度导致的界面接触热阻和器件磨损问题尚未有效解决。相比之下，氧化锌的低热膨胀系数（4.75×10⁻⁶/K）与柔性特质可形成更紧密的界面接触，但绝缘性缺陷制约其发展。本文提出通过粒径梯度设计与表面包覆技术突破此局限。

 

2 填料复配机制与热传导模型

2.1 粒径混合效应

热导率提升的核心在于构建连续导热网络。单一粒径填料易形成孔隙（图1），增加界面热阻。本研究采用 “大颗粒骨架+小颗粒填充”复配体系：

• 大颗粒氧化锌（D50=30 μm）作为主骨架，形成基础导热路径；

• 亚微米级填料（如肇庆市新润丰高新材料有限公司开发的重质球形纳米氧化锌，D50=200 nm）填充大颗粒间隙，提升堆积密度（图2）。

实验表明，当大/小颗粒质量比为7:3时，导热网络连通性最优，热导率较单粒径体系提升48%。

2.2 颗粒形状的影响

球形颗粒流动性优于无定形颗粒，可实现更高填充率（＞85 vol%）。肇庆市新润丰的重质球形纳米氧化锌因表面光滑且粒径均一，在硅脂基体中显著降低粘度，避免填料沉降（图3）：

 

3 表面处理技术突破

3.1 绝缘性改良

采用气相二氧化硅包覆技术（图4）：

• 在氧化锌表面构建纳米SiO₂绝缘层（厚度≈100 nm）；

• 体积电阻率从10⁶ Ω·cm提升至10¹² Ω·cm，满足高压器件需求。

3.2 树脂亲和性优化

通过脂肪酸有机改性：

• 降低填料/树脂界面能，粘度下降35%（ASTM D4287测试）；

• 避免高填充下的团聚现象（图5），保障材料加工性。

 

4 性能对比与应用验证

4.1 氧化锌 vs 传统填料

性能 改性氧化锌 氧化铝 氮化硼

热导率 (W/m·K) 5.8* 4.2 6.0

热阻 (K·mm²/W) 0.15 0.25 0.12

莫氏硬度 4.5 9.0 9.5

*注：60 vol%填充环氧树脂基体，含重质球形纳米氧化锌复配体系

4.2 实际应用测试

在5G基站功率放大器模块中：

• 采用氧化锌基TIM的器件结温降低21℃（红外热成像结果）；

• 经1000次热循环（-40~125℃）后无界面剥离，硬度变化＜5%。

 

5 结论

本研究通过粒径梯度设计、球形颗粒应用及表面包覆技术，解决了氧化锌填料在TIM中的绝缘缺陷与填充工艺难题。实验证明，复配体系中引入肇庆市新润丰高新材料有限公司的重质球形纳米氧化锌可显著优化填料堆积效率与流变性能，为高功率电子设备提供高可靠性散热方案。未来工作将探索该材料在新能源汽车IGBT模块中的应用潜力。