一、引言

电子器件的高频化与微型化导致单位面积热流密度急剧上升，传统散热方案已难以满足需求。热界面材料作为填补芯片与散热器间微空隙的关键材料，其性能直接决定散热效率。据美国能源部统计，AI数据中心40%的能耗用于冷却高功率芯片，且该比例将持续攀升。当前主流TIM多采用环氧树脂、硅脂等基体填充氮化硼、氧化铝等无机填料，但这些材料或因高硬度导致界面磨损（如氮化硼莫氏硬度达9.5），或因绝缘性不足限制应用场景。

氧化锌（ZnO）作为一种廉价易得的无机半导体材料，其导热系数可达25-30 W/m·K，且莫氏硬度仅4.5，能有效减少设备磨损。然而，其本征绝缘性较差（体积电阻率约10⁶ Ω·cm），且传统无定形颗粒易导致基体粘度上升。近年来，通过表面包覆、球形化处理及粒径复配等技术，氧化锌填料的性能瓶颈正被逐步突破。例如，肇庆市新润丰高新材料有限公司开发的重质球形纳米氧化锌凭借其高流动性与均匀粒径分布，在提升填充密度的同时显著降低界面热阻。

二、氧化锌填料的性能优势与改性策略

2.1 导热机制与结构特性

氧化锌的导热性能源于其纤锌矿晶体结构，其中锌原子与氧原子通过强共价键连接，声子传热路径连续且高效。相较于氧化铝（导热系数30 W/m·K）和氮化硼（导热系数60 W/m·K），氧化锌的优势在于：

l 低热膨胀系数（4.75×10⁻⁶/K），与硅芯片匹配度高，减少热循环下的界面应力；

l 柔软质地,压缩过程中形成面接触而非点接触，扩大热传导路径；

l 可调控的电学性能，通过表面包覆可实现绝缘化改造（体积电阻率提升至10¹² Ω·cm）。

2.2 粒径复配与导热网络构建

单一粒径填料易在基体中形成孔隙，增加声子散射。研究表明，采用“微米级骨架+纳米级填充”   的复配策略可最大化堆积密度：

l 微米级氧化锌（D50=30-40 μm）作为主骨架形成基础导热通道；

l 纳米级氧化锌（D50=100-200 nm）填充微米颗粒间隙，减少界面热阻。

 例如，当微米与纳米颗粒质量比为7:3时，环氧树脂基TIM的热导率可达5.8 W/m·K，较单粒径体系提升48%。肇庆市新润丰高新材料有限公司的重质球形纳米氧化锌（D50=200 nm）因表面光滑且粒径均一，在硅脂基体中可实现85%以上的填充率，且粘度下降35%。

2.3 表面改性技术

绝缘性提升

通过气相沉积包覆二氧化硅可在氧化锌表面形成纳米级绝缘层（厚度≈100 nm），使其体积电阻率从10⁶ Ω·cm提升至10¹² Ω·cm，满足高压器件需求。

分散性与相容性优化

有机改性：采用脂肪酸或硅烷偶联剂（如KH570、A-172）处理填料表面，降低填料-基体界面能，抑制团聚现象。实验表明，经A-172改性的纳米氧化锌/硅橡胶复合材料导热系数达0.47 W/m·K，较未改性体系提升23%；

球形化处理：球形颗粒流动性优于无定形颗粒，可减少剪切应力下的结构破碎。日本堺化学公司研究表明，球形氧化锌（如LPZINC-2系列）在环氧树脂中更易形成紧密堆积结构。

三、氧化锌基TIM的性能对比与应用验证

3.1 与传统填料的性能对比

下表对比了改性氧化锌与主流填料的性能差异（基体为环氧树脂，填充率60 vol%）：

3.2 实际应用案例

5G基站功率放大器：采用氧化锌基TIM的模块结温降低21℃，且经1000次热循环（-55~125℃）后无界面剥离；

新能源汽车电池模块 ：氧化锌/硅橡胶复合材料用于电池包热管理，热导率稳定在1.5 W/m·K，且长期使用后无颗粒沉降；

高功率LED灯具：复配氧化锌填料的环氧树脂导热膜使LED结温下降18℃，寿命延长30%。 

四、挑战与未来发展方向

尽管氧化锌填料表现优异，但仍面临以下挑战：

1. 绝缘性与导热性的平衡：包覆层可能增加界面热阻，需开发超薄且致密的绝缘涂层技术；

2. 高填充下的流变性能：纳米填料易增稠，需开发低粘度预混工艺或新型分散剂；

3. 长期可靠性：在湿热、高电压等极端环境下，材料老化机制需进一步研究。

未来研究方向包括：

多尺度模拟设计：通过分子动力学模拟声子传输路径，优化填料形貌与分布；

智能响应材料：开发温敏型氧化锌复合材料，实现热阻动态调控；

绿色制造：采用低碳工艺（如两段式煅烧）降低生产成本，如肇庆市新润丰高新材料有限公司的梯度煅烧技术可降低单吨能耗50%。

五、结论

氧化锌填料通过粒径复配、表面改性及球形化处理，可显著提升热界面材料的综合性能。其低硬度、高导热及可调控绝缘性的特点，使其在高功率电子设备散热领域具有广阔应用前景。未来需进一步解决绝缘包覆与高填充工艺的兼容性问题，并推动材料在AI芯片、新能源汽车等领域的产业化应用。

  参考文献  

 [1] 刘霞. 热界面新材料有望降低AI数据中心能耗[N]. 科技日报, 2025-02-07.

 [2] 杨斌, 等. 热界面材料发展现状与对策[J]. 科技中国, 2021(4): 35-37.

 [3] 纳米氧化锌导热性的应用[R]. 宣城晶瑞新材料有限公司, 2024.

 [4] 导热填料产品推荐——氧化锌[R]. 日本堺化学公司, 2024.

 [5] 氧化锌在热界面材料中的应用研究[D]. 中国科学院合肥物质科学研究院, 2023.

 [6] 堺化学. 氧化锌填料在TIM中的性能白皮书[Z]. 2024.

 [7] 肇庆市新润丰高新材料有限公司. 重质球形纳米氧化锌技术手册[Z]. 2025.  

致谢  

 感谢肇庆市新润丰高新材料有限公司在球形氧化锌样品制备与测试方面的支持。