電磁屏蔽和導(dǎo)熱材料發(fā)展現(xiàn)狀及行業(yè)趨勢(shì)

羅文謙

1 前言

在2019年西班牙巴塞羅那“世界移動(dòng)通信大會(huì)”上，華為率先發(fā)布了首款折疊屏5G手機(jī)——華為Mate X。它搭載8英寸的柔性可折疊OLED顯示屏，支持5G信號(hào)，峰值高達(dá)4.6 Gbps，1G的電影3s就可以下載完成。這款手機(jī)驚艷了全世界，華為在全球范圍打響了5G頭炮。5G時(shí)代高頻率的引入、硬件零部件的升級(jí)以及聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及天線數(shù)量的成倍增長(zhǎng)，這對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上相關(guān)的材料提出了新的要求和挑戰(zhàn)：設(shè)備與設(shè)備之間及設(shè)備本身內(nèi)部的電磁干擾無(wú)處不在，電磁干擾和電磁輻射對(duì)電子設(shè)備的危害也日益嚴(yán)重。同時(shí)伴隨著電子產(chǎn)品的更新升級(jí)，設(shè)備的功耗不斷增大，發(fā)熱量也隨之快速上升。未來(lái)高頻率高功率電子產(chǎn)品的瓶頸是其產(chǎn)生的電磁輻射和熱，為了解決此問(wèn)題，電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)將會(huì)加入越來(lái)越多的電磁屏蔽及導(dǎo)熱器件。因此電磁屏蔽和散熱材料及器件的作用將愈發(fā)重要，未來(lái)需求也將持續(xù)大幅增長(zhǎng)。

5G技術(shù)的成熟會(huì)推動(dòng)VR/AR、無(wú)人駕駛汽車、智能穿戴等移動(dòng)終端設(shè)備的發(fā)展，為電磁屏蔽和導(dǎo)熱產(chǎn)品開拓全新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)5G通信基站的建設(shè)等，也會(huì)成為電磁屏蔽和導(dǎo)熱產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

相對(duì)于4G手機(jī)，5G手機(jī)會(huì)有明顯的升級(jí)。首先芯片處理能力大概率會(huì)提升到4G的4～5倍，因此耗電量會(huì)大幅提升，導(dǎo)致發(fā)熱量也顯著提升；5G手機(jī)天線數(shù)量會(huì)是4G手機(jī)的5～10倍，這對(duì)電磁屏蔽的要求也更高；5G手機(jī)大概率會(huì)普及玻璃、陶瓷外殼等新材料，該類材料不會(huì)對(duì)5G信號(hào)產(chǎn)生屏蔽作用，但是散熱性比金屬差，因此需要更優(yōu)秀的導(dǎo)熱產(chǎn)品。

2 電磁屏蔽和導(dǎo)熱界面材料原理

2.1 電子屏蔽原理

電子設(shè)備在通電啟動(dòng)之后，其內(nèi)部的電流產(chǎn)生電磁波，這種電磁波會(huì)對(duì)周邊其他電子設(shè)備的信號(hào)接收、發(fā)送進(jìn)行干擾，在嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)袛嗥渌娮釉O(shè)備的工作。

電磁屏蔽產(chǎn)品的理論依據(jù)是利用電子屏蔽材料對(duì)電磁波進(jìn)行反射和吸收，這可以阻斷電磁波的傳播路徑從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的隔離屏蔽：當(dāng)入射電磁波傳播到屏蔽材料表面時(shí)，由于空氣與屏蔽材料的交界面上阻抗的不連續(xù)，入射波會(huì)被反射回來(lái)。未被反射而進(jìn)入屏蔽材料體的部分電磁波，在屏蔽材料體內(nèi)傳播過(guò)程中，被屏蔽材料進(jìn)行衰減和吸收。而在屏蔽材料內(nèi)未衰減掉的少量電磁波，會(huì)在傳播到材料另一界面時(shí)，由于屏蔽材料—空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會(huì)被反射回屏蔽體內(nèi)，進(jìn)行重新衰減和吸收（見圖1）。

針對(duì)電子設(shè)備的電磁屏蔽主要有2種方式。一種是電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)本體，通常是由鋼板、鋁板、銅板或金屬鍍層、導(dǎo)電涂層等制成。另一種是屏蔽襯墊，是一種具有導(dǎo)電性的電磁屏蔽產(chǎn)品，專門用于解決結(jié)構(gòu)本體縫隙處的電磁屏蔽問(wèn)題，通常是由金屬、塑料、硅膠和布料等材料通過(guò)沖壓、成型和熱處理等工藝方法加工而成。

2.2 導(dǎo)熱材料原理

導(dǎo)熱材料主要用于解決電子設(shè)備的熱管理問(wèn)題。在熱力學(xué)中，散熱就是熱量傳遞，主要有3種熱量傳遞的方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。根據(jù)熱量的傳遞方式，一般散熱系統(tǒng)就由風(fēng)扇、散熱片和導(dǎo)熱界面器件組成（圖2）。

導(dǎo)熱界面器件通常是用于填充發(fā)熱元件與散熱元件之間的空氣間隙，利用導(dǎo)熱界面器件的特性提供導(dǎo)熱效率。發(fā)熱元件與散熱元件因?yàn)楸砻娌黄秸?，兩者之間的有效接觸面積不大，其中大部分被充滿了空氣，散熱效率低。采用了導(dǎo)熱界面器件后，能有效提高電子設(shè)備的工作穩(wěn)定性和使用壽命。運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量將直接影響電子產(chǎn)品的性能和可靠性。試驗(yàn)已經(jīng)證明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%；溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。隨著集成電路芯片和電子元器件體積不斷縮小，其功率密度卻快速增加，散熱問(wèn)題已經(jīng)成為電子設(shè)備亟需解決的問(wèn)題。導(dǎo)熱材料主要是應(yīng)用于系統(tǒng)熱界面之間，通過(guò)對(duì)粗糙不平的結(jié)合表面填充，用導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣的熱界面材料替代不傳熱的空氣，使通過(guò)熱界面的熱阻變小，提高半導(dǎo)體組件的散熱效率，行業(yè)又稱“熱界面材料”。

3 電磁屏蔽和導(dǎo)熱界面材料

3.1 電子屏蔽材料

電磁屏蔽元器件的技術(shù)水平和發(fā)展路線主要由電子屏蔽材料的發(fā)展所主導(dǎo)，電子屏蔽材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率及材料厚度是屏蔽效能的3個(gè)基本因素。電磁屏蔽材料未來(lái)將向屏蔽效能更高、屏蔽頻率更寬、綜合性能更優(yōu)良的方向發(fā)展，新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，未來(lái)在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用也將占有一席之地。隨著未來(lái)的技術(shù)發(fā)展，電磁屏蔽材料將往導(dǎo)電性能好、加工工藝簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、適合大批量生產(chǎn)等方面發(fā)展。而未來(lái)越來(lái)越多類型的電子設(shè)備將被納入到電磁兼容管理的標(biāo)準(zhǔn)中來(lái)，電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)也將愈發(fā)的嚴(yán)格，可以預(yù)見電磁器件工藝材料的持續(xù)升級(jí)趨勢(shì)將是確定性方向下游消費(fèi)電子產(chǎn)品因?yàn)閭€(gè)性化的設(shè)計(jì)，電磁屏蔽產(chǎn)品多是針對(duì)下游電子產(chǎn)品的電子元件分布特點(diǎn)和電磁屏蔽需求，對(duì)電磁屏蔽材料進(jìn)行的二次設(shè)計(jì)、開發(fā)。獨(dú)特的行業(yè)需求，極大地促進(jìn)了電磁屏蔽與導(dǎo)熱產(chǎn)品的應(yīng)用和創(chuàng)新。因此企業(yè)會(huì)配置設(shè)計(jì)中心，根據(jù)客戶的需求，對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行全面的分析，提供完全個(gè)性化的定制電磁屏蔽及導(dǎo)熱產(chǎn)品。

目前應(yīng)用比較廣泛的電磁屏蔽材料主要為導(dǎo)電塑料器件、導(dǎo)電硅膠器件、金屬屏蔽器件、導(dǎo)電布襯墊器件、吸波器件等。

導(dǎo)電塑料器件主要采用導(dǎo)電填料（如金屬纖維、金屬化纖維、石墨等）與塑料基材〔如聚碳酸酯（PC）、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）等）〕填充復(fù)合而成，具有質(zhì)量輕，耐候性好，環(huán)保并可回收再利用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于IT、通訊器件、軍工、航天航空等領(lǐng)域中的抗電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）、射頻干擾（Radio Frequency Interference，RFI）和靜電釋放（Electro-Static discharge，ESD）。

導(dǎo)電硅膠是在硅膠基材中添加適量的金屬粉末從而使得基材導(dǎo)電。導(dǎo)電硅膠的產(chǎn)品主要用于戶外和水下設(shè)備，既可作為EMI屏蔽也可以用作環(huán)境密封，又能夠特別提供加強(qiáng)耐腐蝕和阻燃功能。

金屬屏蔽器件適用于存在EMI/ RFI或者ESD問(wèn)題的廣泛的電子設(shè)備中。其材料可以選用鈹銅、或不銹鋼，產(chǎn)品具有良好的彈性，因而具有極好的重復(fù)使用性。金屬簧片能夠適應(yīng)多種特殊環(huán)境，同時(shí)能利用不同的鍍層實(shí)現(xiàn)與其他接觸表面的電化學(xué)兼容性。

導(dǎo)電布襯墊是一種用于導(dǎo)電屏蔽作用的襯墊材料，通常采用聚氨酯或熱塑性橡膠材料作為內(nèi)層，外層包覆被金屬化織物。

吸波器件采用硅膠、氯丁橡膠等材料為基材，納米材料、平面六角鐵氧體、非晶磁性纖維、顆粒膜等高性能吸收劑作為吸收介質(zhì)，利用新型吸收原理—電磁共振及渦流損耗制備而成，產(chǎn)品具有厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸收率高等特點(diǎn)。吸波器件主要用于屏蔽外界電磁波、提高雷達(dá)精準(zhǔn)度、用于微波暗室進(jìn)行測(cè)量、提高設(shè)備整體的電磁兼容性、防止電磁輻射或泄露等。

其他一些新機(jī)理的屏蔽材料也在探索之中，如發(fā)泡金屬屏蔽材料、納米屏蔽材料和本征導(dǎo)電高分子材料，依靠本身良好的導(dǎo)電性達(dá)到電磁屏蔽的目的電磁屏蔽產(chǎn)品主要用于通訊行業(yè)、消費(fèi)電子，另外還有汽車電子、醫(yī)療、軍工和電力等領(lǐng)域。

近來(lái)，出現(xiàn)了一種新的屏蔽技術(shù)——共形屏蔽。不同于傳統(tǒng)的采用金屬屏蔽罩的手機(jī)EMI屏蔽方式，共形屏蔽技術(shù)是將屏蔽層和封裝完全融合在一起，模組自身就帶有屏蔽功能，芯片貼裝在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）上后，不再需要外加屏蔽罩，不占用額外的設(shè)備空間，主要用于PA、WiFi/BT、Memory等 SiP 模組封裝上，用來(lái)隔離封裝內(nèi)部電路與外部系統(tǒng)之間的干擾。共形屏蔽技術(shù)可以解決SiP內(nèi)部以及周圍環(huán)境之間的EMI干擾，對(duì)封裝尺寸和質(zhì)量輕重幾乎沒(méi)有影響，具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能，可以取代大尺寸的金屬屏蔽罩，未來(lái)有望隨著SiP技術(shù)以及設(shè)備小型化需求而普及。

未來(lái)電磁屏蔽材料發(fā)展方向?yàn)椋航饘兕惖臅?huì)超薄化；填充類的如導(dǎo)電塑料件、硅膠件會(huì)選擇更加高效、生產(chǎn)成本低的材料；導(dǎo)電襯墊將采用更薄的原料布和性能更好得泡棉；使用碳素系導(dǎo)電粉的導(dǎo)電涂料等。

根據(jù)BCC Research，全球EMI和RFI市場(chǎng)2016年接近60億美元，到2020年預(yù)計(jì)將達(dá)到79億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)5.6%。亞太地區(qū)作為全球最大的電子設(shè)備和部件生產(chǎn)中心，預(yù)計(jì)到2020年EMI和RFI市場(chǎng)CAGR為4.8%。

未來(lái)無(wú)論是5G基站還是5G手機(jī)，都會(huì)激發(fā)電磁屏蔽產(chǎn)品的旺盛增量需求，尤其是緊隨5G時(shí)代之后的“萬(wàn)物互聯(lián)”時(shí)代，高頻率和聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)終端的密集會(huì)使得電磁波輻射成為抑制電子設(shè)備產(chǎn)品性能的一道瓶頸。

3.2 導(dǎo)熱材料

隨著5G時(shí)代單一電子設(shè)備上集成的功能逐漸增加并且復(fù)雜化以及設(shè)備本身的體積逐漸縮小，對(duì)電子設(shè)備的熱管理技術(shù)提出了更高的要求，如對(duì)導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)和長(zhǎng)時(shí)間工作的導(dǎo)熱穩(wěn)定度要求逐漸提高。這一趨勢(shì)為導(dǎo)熱材料的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。

目前導(dǎo)熱材料主要分為導(dǎo)熱膏、片狀導(dǎo)熱間隙填充材料、液態(tài)導(dǎo)熱間隙填充材料、相變化導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱凝膠和石墨膜等。

3.2.1 導(dǎo)熱膏

導(dǎo)熱膏是主要以有機(jī)硅酮為原料的導(dǎo)熱硅脂和其他耐熱、導(dǎo)熱的材料復(fù)合而成的導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)合物。導(dǎo)熱膏有本身導(dǎo)熱率高、膠層厚度薄、附著壓力最小、再加工性好等優(yōu)點(diǎn)。它主要用于功率放大器、電子管、晶體管等電子器件的導(dǎo)熱及散熱。

3.2.2 片狀導(dǎo)熱間隙填充材料

片狀導(dǎo)熱間隙填充材料通常被稱為導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱硅膠墊等，具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱能力、絕緣性、柔韌性等，是一款專門利用填補(bǔ)空隙來(lái)傳遞熱量的產(chǎn)品，能夠完美填充散熱件和發(fā)熱件之間的空隙，提高熱傳遞效率。片狀導(dǎo)熱間隙填充材料可應(yīng)用在各種元器件表面與散熱器，外殼等之間起導(dǎo)熱、絕緣、粘接、防震等作用。該類產(chǎn)品可任意裁切，利于滿足自動(dòng)化生產(chǎn)和產(chǎn)品維護(hù)。有些產(chǎn)品通過(guò)加玻璃纖維網(wǎng)、表面金屬層等方式來(lái)增加其機(jī)械強(qiáng)度及可操作性，還有導(dǎo)熱膠帶等具有粘接等附加功能的產(chǎn)品。

3.2.3 液態(tài)導(dǎo)熱間隙填充材料

液態(tài)導(dǎo)熱間隙填充材料又稱導(dǎo)熱膠，是一種就地成形的導(dǎo)熱產(chǎn)品，其在固化前有一定的流動(dòng)性，填充性能好，尤其適合對(duì)壓力敏感、間隙不好控制或偏差較大、非平行表面等場(chǎng)合。固化后的材料在較低的模量和較好的記憶壓縮形變之間達(dá)到平衡，易于清理或粘接。常用于汽車電子、通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)和外設(shè)中發(fā)熱半導(dǎo)體和散熱器之間的導(dǎo)熱應(yīng)用。

3.2.4 相變化導(dǎo)熱界面材料

相變化導(dǎo)熱界面材料中的部分基材在受熱后會(huì)從固態(tài)變到液態(tài)，使得材料更加貼合發(fā)熱件表面從而獲得更低的熱阻來(lái)提高熱傳遞效率。相變化導(dǎo)熱界面材料在常溫下是固體，十分便于大批量生產(chǎn)及管控，對(duì)很多表面黏貼封裝器件使用非常方便，常用于計(jì)算機(jī)和外設(shè)、高性能計(jì)算機(jī)處理器、顯卡、電源模塊等的導(dǎo)熱應(yīng)用。

3.2.5 導(dǎo)熱凝膠

導(dǎo)熱凝膠（GEL）是一種凝膠狀態(tài)的導(dǎo)熱材料，通過(guò)把導(dǎo)熱膏里面的硅油鉸鏈到一起，解決了導(dǎo)熱膏易于流動(dòng)及長(zhǎng)時(shí)間高溫工作變干等問(wèn)題，此產(chǎn)品具有極低的熱阻和壓縮變形應(yīng)力，并且此產(chǎn)品在應(yīng)用時(shí)不需要混合、攪拌或任何固化過(guò)程，并易于清理及修整。目前GEL已在汽車電子、通訊設(shè)備、LED燈具等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。陶氏化學(xué)在 2018年的亞洲消費(fèi)電子展上，發(fā)布了其最新研發(fā)的針對(duì)于手機(jī)電子元件熱管理的新型陶熙TC—3105有機(jī)硅導(dǎo)熱凝膠。該款產(chǎn)品可以涂覆在芯片的封裝表面，替代傳統(tǒng)的成品散熱墊，具有低成本、室溫下或電子元件發(fā)熱時(shí)固化從而提高接觸面積的特點(diǎn)。各大手機(jī)品牌也陸續(xù)開始在新機(jī)上嘗試使用“水冷散熱技術(shù)”，該技術(shù)的原理是在手機(jī)中放置銅管，并在銅管中加入導(dǎo)熱液體（水或乙二醇），導(dǎo)熱液體在吸收核心零部件發(fā)出的熱量后，逐漸汽化并在銅管內(nèi)流動(dòng)，然后流動(dòng)至低溫處實(shí)現(xiàn)熱傳遞并凝結(jié)回液態(tài)。

3.2.6 石墨膜

導(dǎo)熱石墨膜是一種碳分子高結(jié)晶態(tài)組成的全新的高導(dǎo)熱散熱材料，能沿X、Y兩個(gè)方向均勻高效導(dǎo)熱，且石墨的片層狀結(jié)構(gòu)能適應(yīng)多數(shù)表面，因此有著極佳的導(dǎo)熱功能。高導(dǎo)熱石墨膜平面內(nèi)具有150～1 700W/（m·K）的超高導(dǎo)熱率，具有柔軟、易加工的特點(diǎn)，可用于包覆（如有絕緣要求）或非包覆要求場(chǎng)合，亦可以被修邊，壓制成型或涂覆膠水和塑膠。溫度適用范圍從極低溫到3 000℃惰性環(huán)境下，無(wú)氣體和液體滲透性，石墨層不老化和脆化，適用于大多數(shù)化學(xué)品介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)，平板電腦等需要高散熱解決方案的電子產(chǎn)品。

石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，其晶體是六角平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因其特殊的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子與其他碳原子只形成3個(gè)共價(jià)鍵，每個(gè)碳原子仍保留1個(gè)自由電子。因此石墨晶體能導(dǎo)熱、導(dǎo)電，同時(shí)具有耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)。石墨的比熱容與鋁相當(dāng)，約為銅的2倍，石墨的熱阻卻遠(yuǎn)高于鋁，因此石墨可以作為新興的優(yōu)秀散熱材料，替代傳統(tǒng)的鋁銅散熱器件。

從導(dǎo)熱石墨膜的性能差異來(lái)看，主要分成單層、多層和復(fù)合型導(dǎo)熱膜3類。其中單層高導(dǎo)熱膜應(yīng)用范圍最廣，復(fù)合型和多層高導(dǎo)熱膜主要是在單層的基礎(chǔ)上與銅箔或多層石墨膜復(fù)合而成。其中單層導(dǎo)熱石墨膜最薄，多層導(dǎo)熱石墨膜具備儲(chǔ)熱功能，復(fù)合型導(dǎo)熱石墨膜則具備導(dǎo)熱、儲(chǔ)熱、屏蔽輻射的功能，但卻需要和金屬片等復(fù)合而成。

目前導(dǎo)熱石墨膜主要分為天然和人工2種類型。由于人工石墨膜具備更加優(yōu)秀的性能，更低的成本，隨著消費(fèi)電子等產(chǎn)品的高功耗化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的大趨勢(shì)，人工石墨膜的需求空間非常大。

導(dǎo)熱石墨膜的散熱技術(shù)成熟且相對(duì)而言成本更低，是目前多數(shù)電子設(shè)備的首選，但是隨著5G時(shí)代的到來(lái)，電子設(shè)備的核心零部件散熱需求顯著提升，市場(chǎng)急需新工藝、新材料的誕生。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品對(duì)熱管理方案有著更高的要求，因此對(duì)導(dǎo)熱石墨膜材料將提出更多新的要求，如厚度更薄、導(dǎo)熱性更好，以及可加工為3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，或與其他材料結(jié)合而形成復(fù)合多功能材料等。

4 展望

5G未來(lái)已來(lái)，世界也將因此而大為不同。5G智能手機(jī)零部件將迎來(lái)新的變革，硬件創(chuàng)新升級(jí)對(duì)智能手機(jī)的電磁屏蔽和導(dǎo)熱提出了新的要求，未來(lái)電子屏蔽和導(dǎo)熱產(chǎn)品也會(huì)隨著電子設(shè)備的更新向著高效、超薄化發(fā)展，同時(shí)仍將維持電子屏蔽和導(dǎo)熱材料多元化的局面?？梢灶A(yù)見的是，未來(lái)5G電子設(shè)備對(duì)電子屏蔽和導(dǎo)熱產(chǎn)品的需求將會(huì)大幅增加，而市場(chǎng)當(dāng)下迫切需要新一代電子屏蔽和導(dǎo)熱產(chǎn)品的工藝升級(jí)、材料更新來(lái)迎接5G新時(shí)代。

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