热界面材料

热度高涨

电动汽车的发展正在提升对热界面材料的要求。彼得·唐纳森将探讨哪些材料仍具价值，哪些已过时。

热界面材料的功能看似简单：填充发热体与散热器之间的微小空气间隙，让热能得以传递。数十年来，人们通常会根据材料的体积热导率这一数值从现有目录中选择合适的材料来实现这一功能。但如今情况已发生变化——电动汽车领域的三项发展趋势正在推动这类材料发生根本性变革。

第一点是电池架构正从单体到模组，再到整个电池包及底盘的方向发展。这意味着导热垫片不能再仅仅是模块与冷却板之间的热传导介质，而必须兼具大面积结构粘接功能、高压电气绝缘性能，并在电池过热失控时起到关键防护作用。此外，它还需要能够快速涂覆，并在整个车辆使用周期内保持性能稳定。

第二点是牵引逆变器中开始采用碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体，这使得器件结温超过200摄氏度，进入了传统有机导热垫片失效、甚至高熔点焊料也难以胜任的领域。解决方案包括使用烧结银浆和铜浆，将界面转化为固态金属连接结构。

第三，该行业如今不再仅关注初始性能，而是开始考虑产品的整个生命周期。现在需要的是能够在潮湿多盐的恶劣环境中使用15年甚至更久的绝缘材料，同时还能实现干净地分离，以便对电池组进行维修、再制造或回收。数据表上仅用瓦特每米开尔文（W/mK）这一数值来表示热导率已不再足够。

为在优异的导热性能与热机械可靠性之间取得平衡，关键举措包括使用具有半粘接特性的聚合物，如新一代填充材料，或高粘接强度的导热胶粘剂。根据耐温要求，可采用聚氨酯、环氧树脂甚至硅胶等树脂技术，以满足电池系统、电源转换应用及电池管理电子器件不同的需求。

热绝缘性与导热性的权衡

一个挑战在于，提高热导率往往会损害TIM的电气绝缘性能。在许多情况下，单一材料已无法同时优化这两种性能，因此混合结构方案显得很有吸引力。例如，这种混合结构可以将高热导率的陶瓷层与极薄的热界面层结合使用，热界面层可以是导热膏或填隙剂——后者仅用于弥补公差差异并确保良好的热接触。具体的解决方案会很大程度上取决于公差范围及整体层结构设计，但对于某些特定应用而言，多层结构可能成为重要趋势，每层都会根据其功能进行优化。

另一种观点认为，下一代复合材料应以新型聚合物网络为核心，这类网络旨在与填料和基材形成更坚固、更高效的界面。尽管人们容易专注于一两项关键性能指标，但高性能材料必须满足更为广泛且往往相互冲突的各种要求。真正的挑战在于如何实现这种平衡，即在确保性能可靠的同时，还能支持高效、大规模的制造工艺。

由于电池单元与封装结构的变化，TIM材料的发展方向正从追求最高导热性转向在电池整个使用周期内兼顾热性能、机械强度及介电可靠性。这类材料需能够润湿大面积表面，弥补尺寸公差带来的影响，固定或支撑电池单元，抵御振动与老化作用，同时还能在受压、潮湿及热循环条件下保持电绝缘性能。

最难以在不做出妥协的情况下实现的性能通常是机械/结构性能。一旦导热垫的粘性或承重能力增强，它往往会变得更硬，更难重新加工，更容易产生应力，有时对电池膨胀的耐受性也会降低。增加填充剂含量可以提高导热性，但可能会损害材料的延展性、加工性能以及介电稳定性。选择合适的聚合物能带来显著差异，目前有一家公司正在研究基于硅胶的双组分材料，这类材料具有非常好的抗膨胀和抗振动性能。

另一种方法则是利用基于标准间隙填充液技术的高粘性硅胶，由此制成的导热垫虽然强度略低于专用结构胶，但如果整个系统具有足够的机械强度，仍可满足许多结构应用的需求。

相互关联的属性

对于一种必须具备传统结构胶所有优点的材料而言，实现高导热性同样十分困难。在导热性、粘附力、介电强度、机械柔顺性、耐久性以及可制造性之间取得平衡的挑战尤为严峻，因为这些属性彼此之间存在密切的相互依赖关系。提升某一性能往往会对另一性能产生不利影响，正因如此，设计工程师和科学家在开发初期就探讨各种权衡因素及优先级至关重要。

在应对这类复杂性问题时，机器学习等计算方法在材料发现领域的重要性日益凸显。这类数字工具不仅有助于领先的材料研发机构优化设计及开发流程，还能让客户获取“数据立方体”，从而利用数字孪生技术模拟未来的电池系统。人工智能的应用已经助力开发出预测性配方，有效避免了传统物理实验中反复试错的流程。

然而，人工智能要有效运行，就需要充足的数据与经验作为输入。在制定新的导热垫材料配方时面临的挑战在于，仅凭数据表上的数值无法提供足够的信息。此外还需考虑诸多因素，如表面质量与结构、热接触电阻、压缩行为以及整个系统内的相互作用等。不过，随着更多数据的积累，预测导热垫材料的性能并为其特定应用进行优化应该会变得容易得多。其目标并非让人工智能直接生成材料配方，而是让它能够明确并优化各项要求。一旦所需的性能参数被清晰定义，导热垫材料制造商便可利用人工智能模型作为工具来辅助材料的研发工作。

尽管如此，该行业距离实现这样一种愿景还有很长的路要走：工程师只需输入一系列要求，就能立即获得经过全面优化、可直接用于实际应用的配方，而无需进行任何物理层面的迭代。机器学习、分子动力学及相关方法在缩小设计空间、筛选出具有潜力的化学组合，以及帮助研究人员在开发周期的早期就了解各种权衡因素方面正展现出越来越强的效力。

更为棘手的问题在于预测出的材料性能与实际应用表现之间的差距。未来的发展不太可能完全摒弃物理层面的迭代，而更有可能采用高度加速的开发流程——通过计算完成大部分筛选和优化工作，再通过针对性的测试来验证其在真实系统中的性能。

规模化挑战

大规模生产电池组或电力电子产品的工厂与在小型样品上测试热界面材料的实验室有着本质区别。真正的电动汽车生产还会带来更多挑战，比如较大的工作面积、严格的制造公差、较长的循环时间、快速的充放电速率、多变的间隙条件、季节性变化的工厂温度，以及时间要求极为严格的组装步骤。

这些因素改变了某些企业测试产品的方式。例如，它们会自行开发电池系统，以便在研发阶段就能大规模应用新的热界面材料及其他材料，并让系统在真实驾驶条件下运行，同时承受快速的充放电测试。这样能够尽早获得反馈。

一个重要的认识是：在大规模应用中，接口与工艺流程才是决定性能的关键因素。例如以磁带形式存在的热界面材料很少因其固有导电性而出现故障，真正的故障原因在于实际生产过程中存在的表面不平整、公差累积、压力不均以及高速组装带来的限制。因此，从一开始就为制造出的热界面材料具备良好的稳定性而进行设计至关重要，这包括确保其在低压下能快速浸润、能够承受各种变化，并在整个生产周期内保持稳定性能，尤其是在最终组装环节采用机器人操作时。

实现规模扩展的一种方法是在早期进行优惠券测试——包括压缩性能、导热系数与压缩比的关系，以及变形行为与压缩力的关系——同时提供样品以便与客户的组件一起进行组装评估，从而在真实的组装条件下进行验证。在整个过程中，根据IATF 16949等标准，全面评估各项参数的性能以识别预期和意外的问题至关重要，同时还需向客户提供详细的背景说明，以协助他们进行自身的评估。

电池区域应用中心是生产材料处理方面的创新举措。这类中心还提供测试服务，主要是在客户订购制造设备之前，为他们提前提供有关生产参数的信息。

因此，从一开始就关注整个系统变得越来越重要。例如，在早期就让TIM与工艺设备保持一致，甚至让点胶系统供应商尽早参与其中，越来越被视为关键。如果材料和设备的组合已在以往项目中得到验证，就能避免许多潜在问题。若是新材料，则可以提供关键参数的“边界样本”，以帮助确定稳定的工艺范围。

目标不仅仅是打造在理想条件下性能优异的TIM，还要确保其在实际应用中的非理想、高速环境中依然具备可预测性、可扩展性和可靠性。

维修、再利用、回收

对于电池及许多其他应用而言，材料开发者必须满足的关键要求中，除了可制造性和使用性能外，还新增了可维修性和可回收性。针对这些循环利用要求，目前已出现多种解决方案。其中一种是在需要时通过各种触发机制实现材料分离。例如，有电触发的导热胶或结构胶可用于维修，同时也有正在研发中的热触发功能性涂层，旨在提升材料的可回收性。

有些导热界面材料无需触发装置即可实现拆分。例如，某些填缝液虽然粘附性很强，但在需要时仍可被分离。

目前正在研发的另一种方法是导热注塑化合物。作为一种热塑性材料，该材料不仅有望实现模块的修复，还能使TIM本身具备可回收性——这一突破意义重大，因为传统的TIM，无论是间隙填充剂、粘合剂还是垫片，通常都无法回收且不能重复使用。

真正可重新加工的高性能导热界面材料是可行的，但前提是从一开始就将它视为一个共同的设计挑战。这需要封装设计工程师与材料开发人员之间的紧密协作，因为可重新加工性并非事后添加就能毫无影响的特性。材料性能之间必然存在权衡，关键在于尽早了解这些权衡，以便最终设计能在导热性能、可制造性及可用性之间找到恰当的平衡。目前已有几种此类材料可用于电动汽车电池领域。

可重新加工性属于系统级设计挑战。其目标并非在所有条件下都能轻松拆卸，而是实现可控且可预测的脱粘，同时不损坏组件。

追求更长使用寿命

在追求材料资源高效利用的过程中，产品的使用寿命与可维修性、可回收性同样重要。开发者被要求确保产品性能在远超其实际测试期限的时间内依然稳定——通常为15年——因此人们采用了多种预测方法。将数十年的经验与积累的测试数据、加速应力测试和老化测试相结合，并辅以智能数字模拟，是验证产品长期性能的有效手段。

对于加速测试而言，需要注意的是，只有当它们能够反映真实的失效模式，如接触压力丧失或界面降解时，才有意义。将此类测试与稳定的配方以及保守的设计余量相结合，才能为产品的长期性能提供基于物理原理的可靠保障。

此外，通过提供有关可能影响组装条件下性能的关键因素的指导——例如表面接触比以及材料推荐的最大压缩程度——可帮助客户设计合适的组装条件，从而实现更可靠的系统级长期稳定性验证。

在电力电子领域的相关经验对于确保产品寿命尤为重要，因为这类应用中使用的导热界面材料所承受的工作温度远高于电池中的温度，通常超过150摄氏度。

诸如粘附力之类的机械性能仍可能取决于特定的载荷条件，但在此类应用中，材料的设计通常也会考虑到更高的要求。与客户一起进行加速老化测试依然很重要，但对于以硅基材料为主的制品而言，电池系统中施加在其上的热应力通常并非限制因素。讨论的重点往往不在于材料能否承受15年的使用时间，而更多在于应进行哪些测试、测试时长应为多少以及验证策略应当如何制定。

在二次利用领域，例如能源存储方面，电池模块常常会被重新组装或集成到不同的系统中，在这些系统中其工作环境的要求比在汽车应用中要低，比如振动更小，因此其使用寿命可能会更长。

液冷电子设备

在除最小型外的所有电动汽车电池中，液冷已成为标准配置；而在数据中心应用中，它正从承载处理系统的机柜逐步延伸至芯片本身。这种技术也开始被应用于高功率电动汽车逆变器中，不过应用方式与数据中心不同。直接芯片冷却与其他先进冷却技术一样依赖于相同的导热界面材料核心原理，但其要求要严格得多。由于这些系统在局部会产生极高的热流，因此需要严格控制键合线的厚度、确保冷板具有极佳的平整度，并实现精确的机械加载。哪怕是微小的偏差都可能加剧热点问题，增加热机械应力，进而影响封装的可靠性。因此，直接芯片冷却提高了对导热界面材料性能的要求，使得原本往往只是材料选择的问题变成了整个系统设计层面的挑战。

随着冷却结构越来越接近碳化硅芯片，热界面材料的作用也从整体热传导转变为精确的界面工程控制。在此过程中，超薄的键合线、无气孔的接触面、应力缓解以及快速温度变化下的可靠性变得极为重要。

固态电池带来的问题

新兴的固态电池虽然具有更高的能量密度，但在与冷却元件的界面处会产生新的热机械应力。在目前的锂离子电池中，热界面材料通常被设计为能够适应电池使用过程中的膨胀和位移；然而，对于那些膨胀方式不同于现有软包及棱柱形电池的电池，对热界面材料的要求也将随之改变。

在固态系统中，由于机械环境的要求更为严格，因此需要保持精确且均匀的接触。例如，减少材料膨胀意味着无法依靠自然补偿来弥补公差误差，这就更加凸显了在受控压力下实现稳定接触的重要性。

这意味着下一代导热界面材料不仅要能够吸收振动，还要在柔顺性、尺寸稳定性、热性能以及长期界面可靠性方面实现精确平衡。现在的挑战已不再是控制材料膨胀，而是在界面出现微小变化时仍能保持接触，因为这类变化所带来的影响比以往更为显著。未来，导热界面材料的价值将不再取决于其峰值导电性，而更多体现在整个电池使用寿命期间的长期界面稳定性、柔顺性以及可预测的机械性能上。

此外，区分横向的电池单元膨胀（即电池单元之间的膨胀）与纵向的载荷也很重要，因为热界面材料通常位于电池单元下方。垂直方向的膨胀通常更为受限，因此固态电池带来的要求可能不会对热界面材料的设计者构成根本性挑战。

从热管理的角度来看，这种变化更可能是一种渐进式发展而非颠覆性变革。例如，未来的电池设计可能会引导膨胀发生在特定区域，同时限制其他区域的膨胀。如果只有部分电池表面可用于散热，可用面积可能会变小，但可以通过使用性能更高的热界面材料来弥补这一不足。

目前，固态电池的需求似乎正在推动具有高度柔韧性的固体粘合导热材料的发展，这类材料的导热系数在1.3至2.0 W/mK之间。截至本文撰写时，这一性能与现有电池导热绝缘材料的性能并无显著差异，而领先的研究团队已经在着手开发此类材料。

更高的能量密度可能会增加对更好导热性能的需求，但这一目标已经可以实现。在电力电子领域，那些导热系数远高于现有电池导热绝缘材料的材料早已被投入使用。

与众多与电动出行相关的科技领域一样，对热界面材料在性能、可制造性、更长使用寿命以及更低环境影响方面的要求，使得这些曾经较为简单的产品在工程设计层面变得极为复杂。

致谢

作者谨此感谢汉高公司热处理与加工技术部门的高级经理霍尔格·舒赫、Kerafol公司的业务单元负责人沃尔夫冈·霍费尔、帕克公司的发展经理埃里克·怀曼以及同属帕克公司的电子材料技术工程经理谢恩·汤普森，还有圣戈班公司的专家们。

部分热界面材料供应商

C-Therm

Dow

Gravic Group

HB Fuller

汉高

KERAFOL

Laird

帕克

圣戈班

Sika