导热复合材料发展现状

一、概况

导热材料是一种新型工业材料，主要用于设备的热传导。这些材料性能优异、可靠，适合各种环境和要求，对可能出现的导热问题都有妥善的对策。它们对设备的高度集成，以及超小超薄提供了有力的帮助。该导热产品已经越来越多的应用到许多产品中，提高了产品的可靠性。

导热材料的主要种类包括石墨烯、导热粘合剂、石墨烯制备设备、导热测试仪、加热元件、导热硅胶片、导热绝缘材料、导热界面材料、导热矽胶布、导热胶带、导热硅脂、导热膏、散热膏、散热硅脂、散热油、散热膜和导热膜等。

高导热金属基复合材料结合了金属材料和无机非金属材料的性能，表现出高热导率、高强度、低密度和热膨胀系数可调等综合优势，有望解决未来高性能电子器件的热管理难题，未来10年或可大规模应用于电力电子、微波通信、轨道交通和航空航天等领域。

高导热高分子基复合材料，相比于金属、无机非金属等传统材料,高分子材料具有质量轻、成本低、机械性能好、耐腐蚀性强等突出优势,因此可以在微电子器件、电子储能和电子封装材料等领域中替代传统材料,并且在发光二极管、柔性可穿戴电子设备及新能源汽车等新兴领域同样需要大量的导热高分子复合材料。

二、产业链

导热材料产业链上游为原材料供应，主要包括石墨、PI膜、硅橡胶、塑料粒等化工原材料。这些原材料大部分都能通过市场化采购获得，市场供应充足，不存在稀缺性。中游为导热材料生产，中游的导热材料生产企业是产业链的核心环节。这些企业利用上游原材料，通过一系列的加工工艺，生产出各种类型的导热材料，如导热硅胶片、导热胶带、导热硅脂等。导热材料产业链下游主要应用于消费电子、通信基站、动力电池等领域。其中，计算机是导热材料下游占比最重的领域，占比达到32%。此外，可再生能源、电信、指示灯、医疗办公设备、工业和军事以及汽车等领域也有广泛应用。

国际市场上，导热材料行业已经形成了相对比较稳定的市场竞争格局，主要由国外的几家知名厂家垄断，导热材料垄断企业是美国Bergquist和英国Laird，其中合成石墨产品的市场主要由日本Panasonic、中石科技和碳元科技支撑。

国内市场上，由于中国导热材料领域起步较晚，在巨大的市场需求推动下，近年来生产企业的数量迅速增加，但绝大多数企业品种少，同质性强，技术含量不高，产品出货标准良莠不齐，未形成产品的系列化和产业化，多在价格上开展激烈竞争。目前少数国内企业如中石科技等逐渐具备了自主研发和生产中高端产品的能力，已经形成自主品牌并在下游终端客户中完成认证，近年在国际客户的供应体系中扮演着越来越重要的角色。

三、应用场景

1、芯片

芯片中的导热材料主要包括芯片内部导热材料和芯片外部热管理两部分。内部和外部区别主要在于导热材料是否封装在芯片内部。芯片的内部导热材料主要包括封装基板、底填材料和 TIM 材料。芯片外部的导热材料则根据使用不同芯片的设备而有所不同。一般而言，以被动散热为主的智能手机和平板电脑中以石墨系材料(主要为合成石墨膜)和VC为主，配备主动散热组件(风冷、水冷器件)的 PC和服务器等则以热管、VC为主。

芯片内部的导热材料分为顶部连接和底部连接部分。芯片底部需要与基板相连接，顶部需要与封装壳相连接。在整个芯片封装过程中，这些缝隙位置出现的空气都可能会导致传热性能的急剧下降，因此顶部和底部都需要合适的 TIM 材料以满足芯片-封装盖和芯片基板-PCB板的两部分传热需求。

底部连接材料目前以环氧树脂基材料为主。底部填充材料一般为了填充芯片和基板连接的焊球间的缝隙(芯片用焊球与基板相连)。在其它各类 TIM 材料中，硅树脂是主流的基体，在芯片的底部填充用的底部填充胶中，主流工艺为二氧化硅填充的环氧树脂。选用环氧树脂基填充胶的原因主要是环氧树脂的热固性，生产过程方便。

常用的顶部连接材料为硅脂和无机相变金属材料(铟居多)。顶部导热一般是为了填充芯片与封装所用的封装外壳之间的空隙部分。芯片中所使用的灌封胶和顶部包封胶包括聚氨酯、环氧树脂和硅橡胶或凝胶等。目前芯片中所使用的顶部填充大多数为硅脂。硅脂的优点在于使用简便，只要将其涂膜在裸芯片的顶部，并且安置上封装外壳即可。目前，在一些高端 PC 的 CPU 中也有使用无机相变材料作为顶部连接材料。

芯片外部的导热材料主要为均热材料和 TIM 材料，不同用途的芯片所采用的散热途径各不相同。产热量较大的设备多采用被动传热+主动散热的模式，所使用的均热材料主要为热管、均热板，TIM 材料一般选用硅脂或相变金属。产热量较小的设备一般不配备主动散热装置，所使用的均热材料多为石墨系材料与均热板，TIM 材料一般选用硅脂或硅胶片。

智能手机、平板电脑等无主动散热的设备中，多使用石墨系材料/均热板+硅脂/硅胶片的组合。目前大部分的主流安卓智能手机和平板中使用均热板作为散热元件，均热板和芯片元件中的空隙用硅脂填充。苹果公司的手机和平板产品由于软硬件构架适配性较高，目前最新产品仍旧使用合成石膜+硅脂作为芯片外导热结构，尚未使用均热板。

PC、服务器、计算中心和基站等能耗较大需要进行主动散热的设备中，热管+硅脂是首选的芯片外导热材料。由于这些设备的性能要求较高，往往配备了风冷/水冷等散热模块，均热/导热段的主要作用是将热传导至散热模块处，由热风/热水将热量带出。因此 5G 基站需要导热材料的导热系数需要接近 10W/m·K，计算中心和基站则可能更高。在这样的需求驱动下，大部分需要主动散热的设备都选择热管实现热量的定向传导，并以硅脂填充缝隙。少部分高端 PC 和最新型的基站也有选用VC/相变金属作为导热材料。

3、汽车电子

电池系统中的导热材料主要为聚氨酯导热结构胶。动力电池行业所选的导热胶不仅需要导热性能符合需求，还需要对再粘接性能、轻量化、低成本甚至挥发性等方面进行综合考量，因此其导热性能往往维持在1.2-2.0 W/m·K范围内。电池厂商在导热胶需求量大且不断降本的趋势下，无法选择高导热(>3.0W/m·K)的有机硅产品，因此粘接强度、经济成本具有优势的聚氨酯导热结构胶成为了众多电池厂的选择。

导热硅胶为片状固体，一般用于发热量较小的电子零件和芯片表面，也广泛用于动力电池组。导热硅胶可涂覆于各种电子产品，电器设备中的发热体与散热设施(散热片、散热条、壳体等)之间的接触面，起传热媒介作用和防潮、防尘、防腐蚀、防震等性能。目前的导热硅胶的增量主要是在动力电池的电芯中，用于连接电池组。

目前，导热材料行业有以下几大壁垒:

导热材料关键技术仍然处于空缺状态，国家鼓励行业发展。导热材料是提高电子产品运行可靠性的关键元件，其核心环节的确可能对未来电子产品行业发展形成不确定因素。近年来，国务院、发改委及各主管部门相继出台的一系列行业发展政策、规划、指导意见，给予电子行业及其上下游产业的支持。

重点企业

随着移动通信技术的进步和信息化建设的不断推进，电子产业实现了高增长的发展态势，内部元器件结构逐渐精密化、集成化，电子设备硬件配置越来越高，因此提出更高的热管理防护性能要求，推动热管理材料产品种类不断丰富，材料性能和加工工艺进一步升级。

由于不同的电子产品内部设计具有一定差异，不同终端厂商对热管理材料往往有独特的性能乃至特定的外型需求，因此在设计阶段往往要求供应链企业能够进行全方位的分析，为客户提供高效且个性化的热管理解决方案，这将极大地促进热管理材料的持续创新和性能提升，从而提升行业产品整体的附加值水平。

随着电子产品功能逐渐增加，内部结构更加复杂，产品内部功率密度加大，对人工合成石墨散热膜的性能提出了更高要求。超厚型或多层复合人工合成石墨散热膜依托于石墨膜的高导热系数，通过增加厚度或设计多层结构叠合，提高整体或者局部厚度，大幅度加大热量传递方向的热通量，具有高效散热性、易于加工等特性，能够满足复杂环境下对于电子产品的散热需求，未来将逐渐替代现有薄的或单层结构产品。

随着电子产品散热技术的不断发展，市场中的散热解决方案日趋多样。为增强散热效果，多种散热组件构成的散热模组将取代单一散热材料成为市场主流。以智能手机市场为例，人工合成石墨散热膜未来将作为基础性导热材料，与均热板、热管等组件形成具备更高效散热性能的多材料散热方案。