高端国产替代超薄柔性绝缘EMC吸波材料

向欣电子 2023-02-14 847

描述

关键词：EMC, TIM, 抑磁导热吸波, 5G, 高端国产替代材料

导语：随着电子设备的性能和功能的提高，每个设备产生的热量增加，有效地散发，消散和冷却热量很重要。对于5G智能手机和AR/VR设备等高性能移动产品，由于采用高性能IC和追求减轻重量的高度集成设计，导致散热部件的安装空间受到限制。限制了壳体内部的安装空间，因此利用高导热垫片等TIM技术方案来更好地实现散热。 5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起了这些部位电子零部件发热量的急剧增加，当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域的散热材料、吸波屏蔽材料的需求也在增加。

汽车工业的快速发展和汽车市场的激烈竞争极大地促进了各类电气、电子和信息设备在汽车上的广泛应用，对于今天的汽车产业，应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的重要标志之一。电子设备广泛应用于汽车发动机控制系统、自动变速系统、制动系统、调节系统以及行驶系统中，对汽车的安全性、可靠性、舒适性起着决定性作用。

TIM热管理材料分类の紹介

一

概述

热管理，包括热的传导、分散、存储与转换，正在成为一门新兴的横跨物理、电子和材料等的交叉学科，在电子、电池、汽车等行业都有特定的概念和含义，其中的热管理材料发挥了举足轻重的作用，与其它控制单元协同运作保证了工作系统正常运行在适当的温度。

伴随着5G、大数据、人工智能、物联网、工业4.0、国家重大战略需求等领域的技术发展，电子器件功率密度持续攀高，更急需高效的热管理材料和方案来保证产品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持续稳定性。热管理材料是热管理系统的物质基础，而成分、结构及加工工艺对热管理材料的核心技术指标热传导率有重大影响。

图1 电子设备热管理系统

二

TIM热管理材料

2-1 热界面材料（Thermal Interface Material, TIM）

选择理想的热界面材料需要关注如下因素：

1）热导率：热界面材料的体热导率决定了它在界面间传递热量的能力，减少热界面材料本身的热阻；

2）热阻：理想情况下应尽可能低，以保持设备低于其工作温度；

3）导电性：通常是基于聚合物或聚合物填充的不导电材料；

4）相变温度：固体向液体转变，界面材料填充空隙，保证所有空气被排出的温度；

5）粘度：相变温度以上的相变材料粘度应足够高，以防止在垂直方向放置时界面材料流动滴漏；

6）工作温度范围：必须适应应用环境；

7）压力：夹紧产生的安装压力可以显著改善TIM的性能，使其与表面的一致性达到最小的接触电阻；

8）排气：当材料暴露在高温和/或低气压下时，这种现象是挥发性气体的释放压力；

9）表面光洁度：填充颗粒影响着界面的压实和润湿程度，需要更好地填补了不规则表面的大空隙；

10）易于应用：容易控制材料应用的量；

11）材料的机械性能：处于膏状或液态易于分配和打印；

12）长期的稳定性和可靠性：需要在设备的整个寿命周期内始终如一地执行（如微处理器7-10年，航空电子设备和电信设备的寿命预计为数十年）；13）成本：针对不同应用，在性能、成本和可制造性等因素进行综合权衡。

2-1-1 热油脂（Thermal Greases）

通常由两种主要成分组成，即聚合物基和陶瓷或金属填料。硅树脂因其良好的热稳定性、润湿性和低弹性模量而被广泛应用，陶瓷填料主要使用如氧化铝、氮化铝、氧化锌、二氧化硅和铍的氧化物等，常用的金属填料如银和铝。将基础材料和填料混合成可用于配合表面的糊状物，当应用在“粗糙”的表面被压在一起时，油脂会流进所有的空隙中以去除间隙空气。2-1-2 相变材料（Phase Change Materials, PCM）PCM传统上是低温热塑性胶黏剂，通常在50-80°C范围内熔化，并具有多种配置，以增强其导热性；基于低熔点合金和形状记忆合金的全金属相变材料已经有研究发展。相变材料通常设计为熔点低于电子元件的最高工作温度。热垫（Thermal Pads）热垫的关键是它们改变物理特性的能力。在室温下，它们是坚固的，容易处理，当电子元件达到其工作温度时，相变材料变软，随着夹紧压力，它最终开始像油脂一样流入接头的空隙中，该材料填补了空气间隙和空隙，改善了组件和散热器之间的热流。相比于油脂材料热垫不受泵出效应和干问题困扰。

低熔点合金（Low Melting Alloys, LMAs）基于低熔点合金（或称为液态金属）的相变热界面材料，需要在低于电子元件工作温度的液态状态下才能流入所有的表面边缘。低熔点合金具有优异的导热、导电性，而且性质稳定、常温下不与水反应，不易挥发、安全无毒。通过不同的配方可实现不同熔点、不同粘度、不同热导率/电导率，以及不同物理形态的液态金属材料。铋、铟、镓和锡基合金（如镓铝合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金）是最常用的合金，通常不使用有毒性和环境问题的镉、铅和汞基合金。形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）将一种或多种形状记忆合金颗粒分散在热油脂中，并在设备工作温度下应用于热源和散热器之间的界面，研究表明形状记忆合金增强了电子器件与散热器之间的热接触。在电子器件使用过程中，温度的升高使形状记忆合金由低温马氏体相变为高温奥氏体相变。片状剥离粘土（Exfoliated Clay）将一种或多种聚合物、导热填料和剥离粘土材料组成一种相变材料，在粘土剥离成热界面材料的过程中，粘土颗粒弥散成长径比大于200且表面积大的片状结构。由于高长径比，只需要少量颗粒小于10wt%的粘土颗粒就能显著提高TIM的热性能；也有人认为，这些粒子减缓了氧气和水通过界面材料的扩散和减慢了挥发性组件的释放速度，从而减少了泵出和干出，提高了TIM的可靠性和性能。

熔丝/不熔的填料（Fusible/Non-Fusible Fillers）将硅树脂等聚合物与可熔性填料（如焊料粉末）结合而成的混合物TIM，在固化过程中，焊料颗粒回流融合在一起形成高导热网络结构。还可以在相变材料中添加难熔填料，以形成易熔和难熔填料的混合物，从而增强TIM的机械性能。当热通过渗透（即点对点的颗粒接触）传导时，不可熔颗粒也会增加基体的热导率。测试的非易熔颗粒填料材料包括氧化锌、铝、氮化硼、银、石墨、碳纤维、金刚石和金属涂层填料，如金属涂层碳纤维或金属涂层金刚石，在热界面材料中，推荐易熔填料比例为60-90wt%和非易熔填料比例为5-50wt%。

2-1-3 热传导弹性体（Thermally Conductive Elastomers）热传导弹性体（或称为凝胶，Gels）通常由填充有热传导陶瓷颗粒的硅弹性体组成，可以用编织玻璃纤维或电介质膜等增强机械强度。弹性体通常用于需要电绝缘的设备中，弹性材料的TIMs不像油脂可自由流动，为了符合表面的不规则性，需要足够的压缩载荷来变形。在低压力下，弹性体不能填充表面之间的空隙，热界面电阻高；随着压力的增加，弹性体填充了更多的微观空隙，热阻减小。若组装完成，就需要永久性的机械紧固件来保持连接，所获得的热阻取决于厚度、夹紧压力和体积导热系数。

2-1-4 碳基热界面材料（Carbon Based TIMS）碳纤维/纳米纤维（Carbon Fibre/Nano-Fibre）通过精密切割连续的高导热碳纤维束和静电植绒纤维排列在基材上，并用一层薄薄的未固化粘合剂固定形成一个天鹅绒一样的结构。基材包括金属箔、聚合物和带有粘合剂的碳片，如硅树脂、环氧树脂和陶瓷粘合剂纤维，它们可以独立弯曲以跨越局部间隙，同时需要较低的接触压力以确保每根纤维都能接触两个表面。

石墨片（Graphite Flakes）把蠕虫石墨在没有粘合剂的情况下压缩在一起，形成一个有粘性的高纯度石墨薄片，这些柔性材料最初是用于流体密封的垫片（如内燃机的封头垫片），由于石墨片材料具有天然的多孔性，将其浸渍矿物油或合成油等聚合物可用于开发特定等级的高性能柔性石墨片用于TIM应用。碳纳米管（Carbon Nanotubes）结合碳纳米管结构及导热特性，它在热管理技术中潜在的应用方向主要包括：(1) 将碳纳米管作为添加剂改善各种聚合物基体内的热传递网络结构，进而发展高性能导热树脂、电子填料或黏合剂；(2) 构建自支撑碳纳米管薄膜结构, 通过调制碳纳米管取向分布实现不同方向的传热；(3) 发展碳纳米管竖直阵列结构，通过管间填充、两端复合实现热量沿着碳纳米管高热导率的轴向方向传输，以期为两个界面间热的输运提供了有效的通道开发高性能[3]。最常见的基于碳纳米管TIMs主要分为三类，按照制造复杂性的顺序排列如下：碳纳米管和碳纳米管与金属颗粒在聚合物基体中的均匀混合，碳纳米管在衬底上的垂直排列生长，以及在芯片和热分布器之间的两面排列生长。在碳纳米管TIMs中，碳纳米管各向异性的结构物性特点及与其它材料接触界面热阻过大的问题是需要研究者们重点关注研究的方向。电子装置的总热阻通常包括装置本身对环境的热耗散和TIM之间的接触热阻。而功率损耗的增加是一种趋势，将需要具有更高性能、最低热阻和长期可靠性的热界面材料。

石墨烯（Graphene）石墨烯热界面材料主要以石墨烯或石墨烯与碳纳米管、金属等复合作为导热填料，材料基体主要以环氧树脂（导热胶黏剂）为主要研究方向，其它基体如硅油、矿物油、硅橡胶、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯作为导热填料的原料主要包括石墨烯片、剥离膨胀石墨烯片层、单层和多层石墨烯、单壁碳纳米管和石墨烯、多壁碳纳米管和石墨烯、联苯胺功能化石墨烯、石墨烯和银颗粒及氧化石墨烯等添加形式。单层或少层石墨烯还可以用于高功率电子器件散热，如将化学气相沉积（CVD）法制备的石墨烯转移到高功率芯片上。其散热效果取决于石墨烯片的大小及层数，且在转移过程中易引入杂质或产生褶皱和裂纹，也会影响石墨烯散热效果。提高CVD法制备的石墨烯质量和优化转移方法减少其转移过程中的损坏，或直接将石墨烯生长在功率芯片表面，是提高石墨烯散热效果的主要方法。将石墨烯制备成宏观薄膜应用于热管理中也是一种重要的途径，主要方法有：将液相剥离石墨烯经过旋涂、滴涂、浸涂、喷涂和静电纺丝等方式成膜；将氧化石墨烯通过高温还原或者化学还原成膜；将石墨烯和碳纤维复合成膜；或者将石墨烯薄膜制备成三维形状成膜等。石墨烯需要和器件基板接触，因此减少石墨烯薄膜和基板间的接触热阻是石墨烯热管理应用必须考虑的问题，如采用共价键、功能化分子等方式。石墨烯薄膜性能和价格有优势才能取代目前主流的石墨膜（PI）散热片，这对石墨烯薄膜产业化是一个极大的挑战。

什么是电磁波?

电磁波(Electromagnetic wave)是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。见麦克斯韦方程组。

电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。电磁波实际上分为电波和磁波，是二者的总称，但由于电场和磁场总是同时出现，同时消失，并相互转换，所以通常将二者合称为电磁波，有时可直接简称为电波。

在量子力学角度下，电磁波的能量以一份份的光子呈现，光子本质上来说就是波包，即以局域性能量呈现的波。电磁波的能量是量子化的，当其能级阶跃迁过辐射临界点，便以光子的形式向外辐射，此阶段波体为光子，光子属于玻色子。

一定频率范围的电磁波可以被人眼所看见，称之为可见光，或简称为光，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态。电磁波不依靠介质传播。

电磁辐射通常意义上指所有电磁辐射特性的电磁波，非电离辐射是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性的辐射。称作电离辐射。

要特别注意，电磁波并非与传统的机械波一样发生了空间上的震动，而是传播路径上不同点电场与磁场属性的改变。

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，属于一种波，就像机械波，引力波和物质波（概率波）一样，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波，且温度越高，放出的电磁波频率就越高，波长就越短，这种电磁波称之为黑体辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的其他电磁波。

电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E（或电位移D）及磁通密度B（或磁场强度H）表示其特性。按照麦克斯韦的电磁场理论，这两部分是紧密相依的。时变的电场会引起磁场，时变的磁场也会引起电场。电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播速度与光速相等，在自由空间中，为c=299792458m/s≈3×108m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。

电磁辐射量与温度有关，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，频率越高，波长越短，但大多不能被肉眼观察到

吸波材料

定义

所谓吸波材料，指能吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰的一类材料。在工程应用上，除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。

介绍

随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场、机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接和间接的伤害。研究证实，铁氧体吸波材料性能最佳，它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。将这种材料应用于电子设备中可吸收泄露的电磁辐射，能达到消除电磁干扰的目的。根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。吸波材料在设计时，要考虑两个问题，1）、电磁波遭遇吸波材料表面时，尽可能完全穿过表面，减少反射；2）、在电磁波进入到吸波材料内部时，要使电磁波的能量尽量损耗掉。

电子产品在工作时会向外辐射不同频率和波长的电磁波，易对临近电路和设备造成干扰，造成信息传输失误、控制失灵等事故，并对环境造成电磁污染。如导致飞机无法按时起飞、医院的电子诊疗仪器无法正常工作等。目前，吸波材料是解决电磁污染的应用材料之一。吸波材料不仅能吸收部分电磁波，还具有质量轻、耐潮湿、耐高温、耐腐蚀等特点。

吸波材料实现良好吸收的两个条件

1、入射的电磁波能够充分地进人材料内部而不在表面发生反射。即材料的匹配特性；
2、进入材料内部的电磁波能迅速衰减掉。满足条件1)的方法间自由阻抗。是利用特殊的边界条件来达到材料的输入阻抗与空部，间波阻抗相匹配，即反射系数R=0，目前的吸收剂能。难以满足该条件；而满足条件2)的方法则是使材料具有较大的电磁损耗。
在实际中，这2方面的要求通常是相互矛盾的，并且还要求吸波材料吸波频带宽，力学性能优良以及易于施工等特点，因而在设计时必须对吸波材料的厚度、电磁参数与结构进行优化。一般选用多层结构，使各层材料的阻抗由表面至底层逐次降低，这样既可以实现材料的输入阻抗与空间波阻抗相匹配，引导电磁波进人材料内部，又可通过调节材料的电磁参数实现对电磁波的吸收。

入射电磁波最大限度的进入材料内部，而不是在其表面就被反射，即要满足材料的阻抗匹配；进入材料内部的电磁波能几乎全部被衰减掉，即衰减匹配。衰减匹配可以是电阻性损耗，将电磁能转化为热能；也可以是电介质损耗，通过介质极化将电磁能转化为热能；还可以是磁损耗，转化为磁滞损耗、阻尼损耗等。因此，好的吸波材料几乎不反射电磁波，而是将它们吸收到内部并全部衰减掉。

吸波材料的特点及应用

一

特点

吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料，通过材料各种不同的损耗机制，将入射电磁波转化为热能或其它能量形式，而达到吸收电磁波目的。在工程应用上，除了要求吸波材料在较宽频带内，对电磁波具有很高的吸收率外，还要求具有耐温、耐湿、质量轻、抗腐蚀等性能。吸波材料的吸波效果是由介质内部各种电磁机制来决定，如：电介质的共振吸收、电子扩散、微涡流等等。

•柔软不易碎，轻薄，易于加工切割，使用方便，可安装于狭小空间

•产品需要粘接或压合在金属底板上才能达到良好的吸波效果

•产品可以对应多样化的尺寸和形状

•耐温性高，柔韧性好

•无卤，无铅，满足RoHs指令

产品应用：

•可作为移动设备用柔性电缆的噪音对策。（笔记本电脑，游戏机，手……等）

•降低各种电子设备的辐射噪音。（CPU产生的噪音等）

•降低手机对人体的电磁波辐射（SAR）。

•降低屏蔽框内的内部EMI（共振，串扰）。

•减少低频间的耦合传导辐射干扰、减少低频回波干扰。

二

吸波材料的应用

1、可用在笔记本电脑、手机、通讯机柜等的电子设备腔体内部。

2、可用来降低各种电子设备的辐射和噪音。

3、可减少低频间的偶合传导辐射干扰、减少低频回波干扰

4、可降低屏障框内的内部EMI（共振、串扰）。

5、应用到芯片与散热模块之间。

6、应用之EMI/RFI：EMI（Electro MagneTIc Interference）：翻译为电磁波干扰。电磁波干扰三要素：干扰源、干扰传播途径以及敏感设备。扰源是指产生电磁干扰的电子设备或系统，干扰传播途径包括线缆，空间等，敏感设备是指易受电磁干扰影响的电子设备或系统。发射频率干扰（RF Interference）：射频是一种高频交流电，也就是通常所说的电磁波。射频干扰就是电磁波所带来的干扰。如两个频率相差不多的电磁波会同时被接收机接收造成干扰。在离发出台近的地方会有谐波干扰。干扰其他的接收设备。

吸波材料与屏蔽材料的区别

屏蔽材料是能对两个空间区域之间进行金属的隔离、磁场、电磁波、以控制电场，由一个区域对另一个区域的感应和辐射的一类材料。具体来说就是用来制造屏蔽体的材料。屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散，用屏蔽体将接收电路、设备或系统包起来，防止受到外界电磁场的影响。吸波材料电磁波进去出不来，但是电磁屏蔽材料不一定是把电磁波反射掉，而是通过无论是吸收还是反射，使电磁波到达屏蔽材料另一面的量减少。可以说吸波材料是为使吸波材料和电磁波源的同侧，尽可能少的接收反射回来的电磁波，而电磁屏蔽材料是为屏蔽材料与使电磁波源异侧，尽可能少的接收到电磁波的影响。电子行业瞬息万变，这对材料方案商而言带来不少挑战。在5G、汽车电子、自动驾驶、无人机、AI、AR/VR等趋势下，电子产品将不断迭代更新，对芯片的算力要求更高，面临功耗增大，辐射、散热加剧等问题，这对高端材料的开发能力和技快速对应的术支持提出了更高要求。