"發(fā)熱"問(wèn)題一直是手機(jī)的痛點(diǎn)，手機(jī)品牌不吝于對(duì)散熱方案的創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)。要說(shuō)手機(jī)散熱方案，近期發(fā)布的新機(jī)——號(hào)稱努比亞史上最強(qiáng)Z系列旗艦的努比亞Z40 Pro，它的散熱方案極其華麗，超大面積VC液冷均熱板、石墨烯、納米碳纖維導(dǎo)熱片、高功率凝膠、石墨層等散熱材料組成了獨(dú)有的九層環(huán)抱冷封散熱系統(tǒng)。其中不得不說(shuō)的是碳纖維導(dǎo)熱片，可謂是"涼芯"散熱，是高速運(yùn)行芯片極佳的散熱材料。
事實(shí)上，碳纖維導(dǎo)熱墊片在手機(jī)上早有應(yīng)用，受到了不少主流手機(jī)品牌青睞，如三星 Galaxy Note9、Galaxy S20，vivo iQOO 3、iQOO Pro 5G，OPPO Reno Ace以及realme X2 Pro等均有應(yīng)用。
碳纖維導(dǎo)熱墊片是一種導(dǎo)熱墊片。導(dǎo)熱墊片是以樹(shù)脂為載體，添加導(dǎo)熱填料制備而成的導(dǎo)熱彈性墊片，主要用于彌補(bǔ)半導(dǎo)體器件與散熱器之間的較大間隙，起到彌補(bǔ)公差及散熱的作用，尤其適用于多個(gè)芯片共用同一個(gè)散熱器的場(chǎng)景。
隨著電子零部件的發(fā)展趨于高性能化、小型化，芯片工作頻率不斷升高，產(chǎn)生的熱量及熱密度也隨之提高，對(duì)導(dǎo)熱散熱系統(tǒng)也提出了更嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱墊片通常為大量氧化鋁等球形填料填充的復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率通常低于10W/mK，已無(wú)法滿足高功率、多功能化的電子產(chǎn)品發(fā)熱需求。因此，以高導(dǎo)熱碳纖維作為填料的高導(dǎo)熱墊片應(yīng)運(yùn)而生。
一、高導(dǎo)熱碳纖維墊片
碳纖維導(dǎo)熱墊片是一種以導(dǎo)熱碳纖維為主要原材料的導(dǎo)熱墊片。目前樹(shù)脂基體一般多為硅橡膠，而碳纖維一般采用高導(dǎo)熱的中間相瀝青基碳纖維（導(dǎo)熱系數(shù)能達(dá)到800w/m·K以上）。
圖源：WaermTimo
硅橡膠具有良好的柔軟性、高溫性能和阻燃性，可在發(fā)熱元件和散熱器之間緊密貼合。而碳纖維是一種高導(dǎo)熱材料，在纖維方向上的導(dǎo)熱系數(shù)可以超過(guò)銅，同時(shí)具有良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的導(dǎo)熱及輻射散熱能力。高導(dǎo)熱碳纖維墊片就是將碳纖維和硅橡膠的性質(zhì)組合起來(lái)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造。
圖 碳纖維導(dǎo)熱硅膠片，來(lái)源：嘉興超維
值得注意的是，當(dāng)碳纖維端面伸出導(dǎo)熱墊表面，雖然材料的熱導(dǎo)率得到了很大的提升，但表面露出的碳纖維會(huì)引起電子元器件短路，進(jìn)而影響電子設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此高導(dǎo)熱絕緣的碳纖維導(dǎo)熱墊片成為研究重點(diǎn)，如對(duì)碳纖維基材表面形成的絕緣涂層包覆等。
二、熱導(dǎo)率的影響因素
研究表明，影響碳纖維導(dǎo)熱墊片的熱導(dǎo)率的因素有：
1、碳纖維的微觀排列結(jié)構(gòu)
碳纖維是一種含碳量在95％以上的新型纖維材料，它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，因此在纖維軸向方向具有非常好的熱傳導(dǎo)性能，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到600~1300W/mK。
圖：碳纖維的定向狀況
碳纖維具有超高的軸向熱導(dǎo)率，在硅膠基體里定向排列后，添充較小的含量就能夠極大提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，而且可以使得導(dǎo)熱墊片具有各項(xiàng)異性的熱傳導(dǎo)效果。而如何實(shí)現(xiàn)碳纖維在導(dǎo)熱墊片中的定向排布成為難點(diǎn)。
2、碳纖維導(dǎo)熱墊片的厚度
隨著導(dǎo)熱墊片的厚度增加，其熱傳導(dǎo)路程加長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)稍微有所下降，而導(dǎo)熱墊片在受到擠壓變形后會(huì)對(duì)其微觀排列結(jié)構(gòu)有所影響，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)有所下降，因此在應(yīng)用中應(yīng)該選擇合適厚度的導(dǎo)熱墊片。
三、碳纖維的定向排序
導(dǎo)熱墊片的碳纖維的取向程度偏低會(huì)形成碳纖維填充而導(dǎo)熱率無(wú)法上升的缺陷。為了提高導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱率，現(xiàn)在通常是利用電場(chǎng)取向、磁場(chǎng)取向，或者擠出取向的方式對(duì)碳纖維進(jìn)行定向排序。
1、電場(chǎng)取向
通過(guò)對(duì)碳纖維施加外電場(chǎng)，使碳纖維沿豎直方向取向。這種方法需要較強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度且工藝較為復(fù)雜。
2、磁場(chǎng)取向
利用碳纖維的反磁性性質(zhì)，在磁場(chǎng)作用下，碳纖維發(fā)生轉(zhuǎn)向，使碳纖維在硅橡膠墊片的厚度方向上定向排列。此方法制備工藝較為復(fù)雜，制造成本較高。目前導(dǎo)熱系數(shù)為20~30W/mK的導(dǎo)熱墊片基本采用這種方法。
3、擠出取向
利用擠出剪切力使碳纖維在流速方向上取向，保持?jǐn)D出的碳纖維預(yù)備料在擠出過(guò)程中流速均勻，增加碳纖維在擠出流道后獲得更好的取向。事實(shí)上，擠出流速較難保持一致，一般會(huì)呈現(xiàn)中間流速快，貼壁的部分流速較慢，影響碳纖維的取向。
圖 碳纖維導(dǎo)熱墊片，來(lái)源：嘉興超維
總的來(lái)看制備碳纖維導(dǎo)熱墊片的難點(diǎn)包括碳纖維粉體長(zhǎng)度精準(zhǔn)控制、纖維取向控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及低成本化等。目前，開(kāi)發(fā)的碳纖維導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到15~70W/mK，若優(yōu)化制造工藝有望達(dá)到80~100W/mK，在5G手機(jī)、筆記本電腦、VR/AR、通信設(shè)備、汽車(chē)電子以及其他對(duì)于散熱要求極高的電子設(shè)備發(fā)熱元器件等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。
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