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鄒小姐：13326633089 -
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電子設備及集成電路的縮小化、智能化，元器件密度和功率不斷增加，使得電子設備的高效散熱成為行業的發展重點。目前，針對提高電子器件及設備導熱性能，可以采用導熱硅脂等熱界面材料，以及向基體材料中添加具有高熱導率的導熱填料，來提高散熱效率，且其應用較為廣泛。另外可以將金剛石、石墨烯、碳納米管作為增強相來制造復合材料，雖然其熱導率最高可達600 W/(m·K)，但其制備工藝復雜，制作成本較高，因此實際應用較為困難。
另外，也有一些企業推出導熱涂層的方案，即在器件及設備的外表面噴涂一層高熱導率、長期服役的高導熱涂層，熱量會先以傳導散熱的方式到達涂層表面，依靠涂層的導熱、輻射的共同作用，快速散失熱量，使物體表面和內部溫度下降，最終實現降溫散熱的目的。
導熱涂層的分類及性能特點
目前，導熱涂層根據制備方法和材料體系，分為三大類。
第一類包括以噴涂技術制備的金屬基純銅涂層、金屬基金剛石/銅復合涂層、金屬基納米氧化鋁-4%碳納米管復合涂層、金屬基石墨烯復合涂層。制備導熱涂層的噴涂技術主要包括冷噴涂、超音速等離子噴涂和熱噴涂技術。
熱噴涂技術
第二類是以磁控濺射技術制備的金屬基單層、復合SiC涂層以及Si基表面沉積的AlN涂層、DLC涂層。磁控濺射技術制備導熱涂層時，通過調整涂層沉積溫度、涂層厚度及優化界面結構等方式，可提高涂層的熱導率，進而提高導熱性能。
磁控濺射技術
第三類是在非金屬基硅脂、有機樹脂中添加氧化鋁、二氧化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼顆粒為填料制備的導熱涂層。這主要是因為顆粒具有較高的熱導率，可以更好地提高涂層的熱導率。
在器件或設備表面涂覆導熱涂層，通常需要發揮如下作用：
（1）高導熱率。涂層的導熱能力主要由熱導率決定，在基體表面沉積一層具有高熱導率的涂層，可以提高器件或設備的導熱性能；
（2）抗腐蝕性。導熱涂層涂覆在設備外表面，在使用過程中會被腐蝕，嚴重影響設備的使用壽命。因此，為了減小腐蝕帶來的影響，導熱涂層應具備抗腐蝕性；
（3）表面結合強度良好。在實際使用過程中，涂層可能會因為震動、磨損等使用環境，發生開裂和剝落，進而影響設備或器件的導熱能力，最終影響設備的正常運轉，因此導熱涂層需要具備結合強度高的特點。
導熱涂層制備技術
一、冷噴涂技術
冷噴涂是一種金屬噴涂工藝，但是它不同于傳統熱噴涂，它不需要將噴涂的金屬粒子融化，所以噴涂基體表面產生的溫度較低，通常不會超過150℃。由于噴涂溫度較低，發生相變的驅動力較小，固體粒子晶粒不易長大，氧化現象很難發生。因而適合于噴涂溫度敏感材料如納米相材料、非晶材料、氧敏感材料（如銅、鈦等）、相變敏感材料（如碳化物等）。
冷噴涂技術具有噴涂溫度低、涂層孔隙率低、涂層致密度高等特點，用其制備高導熱涂層可以實現高熱導率。這是因為空氣是熱的不良導體，其在封閉狀態下的熱導率只有 0.023 W/(m·K)，所以降低涂層的孔隙率，提高致密度有利于實現高熱導率。
目前主要以鋁合金為基體，噴涂純銅粉末及銅復合粉末制備高導熱涂層。
研究表明，通常厚涂層的熱導率比薄涂層的熱導率高，將涂層進行退火處理后，涂層的孔隙率進一步降低，致密度進一步提高，隨著退火溫度的升高，熱導率也會相應的增加。
冷噴涂厚薄Cu涂層致密度對比
二、熱噴涂技術
制備高導熱涂層的熱噴涂技術，主要有等離子噴涂技術、超音速火焰噴涂技術及爆炸噴涂技術。熱噴涂基體材料不受限制，可以是金屬和非金屬，也能在各種各樣基體材料上實現噴涂，操作流程較簡便，但由于熱噴涂涂層有著特殊的層狀結構和若干微小氣孔，涂層與底材的結合通常是機械方式,其結合強度較低。在許多情況下,熱噴涂可以造成相變、一部分元素的分解和揮發以及一部分元素的氧化。
熱噴涂技術原理
目前噴涂粉末主要有銅粉、鎢/銅混合粉末、金剛石/銅混合粉末、氧化鋁粉末、氧化鋁/碳納米管混合粉末等，采用不同質量分數的混合粉末制備涂層會導致涂層的熱導率不同。
值得一提的是，熱噴涂技術將噴涂粉末加熱至熔化或半熔化的狀態，在噴涂過程中會產生應力（主要是熱應力和壓應力）。噴涂溫度較高，導致熱應力產生，且粉末撞擊基體表面產生壓應力，在熱應力和壓應力的共同作用下，會造成涂層物相的轉變，導致整體熱導率的降低。
此外，不同粉末的制備方法也會影響涂層的熱導率，因此通過熱噴涂技術，選取高導熱率、熔點高的粉末來制備高導熱涂層，會取得更好的散熱性能。
氣霧法與球磨法制備粉末的涂層性能對比
三、磁控濺射技術
磁控濺射是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的一種。一般的濺射法可被用于制備金屬、半導體、絕緣體等多材料，且具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優點，后來更是實現了高速、低溫、低損傷。磁控濺射能精準控制膜層厚度，既可以沉積金屬膜層，也可以沉積非金屬膜層、化合物膜層，只是通常氣體離化率較低，濺射率需要提高。
目前主要通過非平衡磁控濺射、真空磁控濺射、直流磁控濺射、高能脈沖磁控濺射及射頻磁控濺射等磁控濺射技術沉積AlN、Ge、SiC薄膜，制備高導熱涂層。
對于磁控濺射技術制備高導熱涂層，沉積溫度越高，則涂層致密度越高，從而提高涂層的整體熱導率。此外，涂層厚度對熱導率的影響也很大，隨著涂層厚度的增加，熱導率提高，但熱導率不會隨著涂層厚度一直增加。并且在制備過程中，涂層材料的結構對涂層的熱導率也有一定的影響，通常晶體結構的熱導率高于非晶體的熱導率。
磁控濺射制備涂層的原理圖
四、涂料技術
對于涂料技術制備高導熱涂層，對熱導率影響最大的因素是填料本身的熱導率及填料的級配。通過添加具有高熱導率的填料及調節混合填料之間的級配，可以有效地提高涂料涂覆后涂層整體的熱導率。
但涂料技術制備導熱涂層的熱導率并不是特別的高，這可能是由于本身基體的熱導率很低，添加具有高導熱填料后，填料不能均勻地分布在基體中，不能形成完整的導熱通路，降低涂層整體的熱導率。理想的制備高導熱涂層的涂料技術應選取高導熱顆粒，并能在基體中分布均勻，通過一定的排布方式在基體中形成完整的導熱通路。
總結
通過對比四種制備導熱涂層的方法可以發現，基于冷噴涂技術特點制備的導熱涂層具有優異的導熱性能，且噴涂溫度低，具備一定的生產優勢。但目前對于冷噴涂技術制備高導涂層主要以噴涂銅粉為主，想要在電子電器設備中使用，其電絕緣性還不能滿足要求。
為了滿足小型化、微型化電子設備及電子電路的散熱需求，基于冷噴涂制備高熱導率且絕緣性良好的導熱涂層，可以采取分層技術制備復合涂層，在基體表面先噴涂一層絕緣的粉末，再噴涂具有高熱導率的粉末；或者是采用絕緣顆粒包裹銅粉，制備具有絕緣、高導熱、耐腐蝕、結合強度高的高導熱涂層。這將突破目前高導熱涂層的應用限制，實現高導熱涂層的進一步發展。
參考來源：
高導熱涂層制備及其性能研究進展，林寧、李偉青、康嘉杰、秦文波、岳文、佘丁順、王成彪（1.中國地質大學（北京）工程技術學院；2.中國地質大學（北京） 鄭州研究院；3.中國地質科學院，鄭州礦產綜合利用研究所）。
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