"發(fā)熱"問題一直是手機的痛點，手機品牌不吝于對散熱方案的創(chuàng)新和開發(fā)。要說手機散熱方案，近期發(fā)布的新機——號稱努比亞史上最強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、納米碳纖維導熱片、高功率凝膠、石墨層等散熱材料組成了獨有的九層環(huán)抱冷封散熱系統(tǒng)。其中不得不說的是碳纖維導熱片，可謂是"涼芯"散熱，是高速運行芯片極佳的散熱材料。
事實上，碳纖維導熱墊片在手機上早有應用，受到了不少主流手機品牌青睞，如三星 Galaxy Note9、Galaxy S20，vivo iQOO 3、iQOO Pro 5G，OPPO Reno Ace以及realme X2 Pro等均有應用。
碳纖維導熱墊片是一種導熱墊片。導熱墊片是以樹脂為載體，添加導熱填料制備而成的導熱彈性墊片，主要用于彌補半導體器件與散熱器之間的較大間隙，起到彌補公差及散熱的作用，尤其適用于多個芯片共用同一個散熱器的場景。
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，對導熱散熱系統(tǒng)也提出了更嚴苛的要求。傳統(tǒng)的導熱墊片通常為大量氧化鋁等球形填料填充的復合材料，其熱導率通常低于10W/mK，已無法滿足高功率、多功能化的電子產(chǎn)品發(fā)熱需求。因此，以高導熱碳纖維作為填料的高導熱墊片應運而生。
一、高導熱碳纖維墊片
碳纖維導熱墊片是一種以導熱碳纖維為主要原材料的導熱墊片。目前樹脂基體一般多為硅橡膠，而碳纖維一般采用高導熱的中間相瀝青基碳纖維（導熱系數(shù)能達到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熱材料，在纖維方向上的導熱系數(shù)可以超過銅，同時具有良好的機械性能和優(yōu)異的導熱及輻射散熱能力。高導熱碳纖維墊片就是將碳纖維和硅橡膠的性質(zhì)組合起來，進行優(yōu)化設計和制造。
圖 碳纖維導熱硅膠片，來源：嘉興超維
值得注意的是，當碳纖維端面伸出導熱墊表面，雖然材料的熱導率得到了很大的提升，但表面露出的碳纖維會引起電子元器件短路，進而影響電子設備正常運轉(zhuǎn)。因此高導熱絕緣的碳纖維導熱墊片成為研究重點，如對碳纖維基材表面形成的絕緣涂層包覆等。
二、熱導率的影響因素
研究表明，影響碳纖維導熱墊片的熱導率的因素有：
1、碳纖維的微觀排列結構
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性能，導熱系數(shù)達到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合材料的熱導率，而且可以使得導熱墊片具有各項異性的熱傳導效果。而如何實現(xiàn)碳纖維在導熱墊片中的定向排布成為難點。
2、碳纖維導熱墊片的厚度
隨著導熱墊片的厚度增加，其熱傳導路程加長會導致導熱系數(shù)稍微有所下降，而導熱墊片在受到擠壓變形后會對其微觀排列結構有所影響，導致導熱系數(shù)有所下降，因此在應用中應該選擇合適厚度的導熱墊片。
三、碳纖維的定向排序
導熱墊片的碳纖維的取向程度偏低會形成碳纖維填充而導熱率無法上升的缺陷。為了提高導熱墊片的導熱率，現(xiàn)在通常是利用電場取向、磁場取向，或者擠出取向的方式對碳纖維進行定向排序。
1、電場取向
通過對碳纖維施加外電場，使碳纖維沿豎直方向取向。這種方法需要較強的電場強度且工藝較為復雜。
2、磁場取向
利用碳纖維的反磁性性質(zhì)，在磁場作用下，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雜，制造成本較高。目前導熱系數(shù)為20~30W/mK的導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，保持擠出的碳纖維預備料在擠出過程中流速均勻，增加碳纖維在擠出流道后獲得更好的取向。事實上，擠出流速較難保持一致，一般會呈現(xiàn)中間流速快，貼壁的部分流速較慢，影響碳纖維的取向。
圖 碳纖維導熱墊片，來源：嘉興超維
總的來看制備碳纖維導熱墊片的難點包括碳纖維粉體長度精準控制、纖維取向控制、結構優(yōu)化以及低成本化等。目前，開發(fā)的碳纖維導熱墊片導熱系數(shù)可達到15~70W/mK，若優(yōu)化制造工藝有望達到80~100W/mK，在5G手機、筆記本電腦、VR/AR、通信設備、汽車電子以及其他對于散熱要求極高的電子設備發(fā)熱元器件等領域?qū)⒌玫綇V泛應用。
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