羅文謙

1 前言

在2019年西班牙巴塞羅那“世界移動通信大會”上，華為率先發(fā)布了首款折疊屏5G手機——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，峰值高達4.6 Gbps，1G的電影3s就可以下載完成。這款手機驚艷了全世界，華為在全球范圍打響了5G頭炮。5G時代高頻率的引入、硬件零部件的升級以及聯(lián)網設備及天線數量的成倍增長，這對產業(yè)鏈上相關的材料提出了新的要求和挑戰(zhàn)：設備與設備之間及設備本身內部的電磁干擾無處不在，電磁干擾和電磁輻射對電子設備的危害也日益嚴重。同時伴隨著電子產品的更新升級，設備的功耗不斷增大，發(fā)熱量也隨之快速上升。未來高頻率高功率電子產品的瓶頸是其產生的電磁輻射和熱，為了解決此問題，電子產品在設計時將會加入越來越多的電磁屏蔽及導熱器件。因此電磁屏蔽和散熱材料及器件的作用將愈發(fā)重要，未來需求也將持續(xù)大幅增長。

5G技術的成熟會推動VR/AR、無人駕駛汽車、智能穿戴等移動終端設備的發(fā)展，為電磁屏蔽和導熱產品開拓全新的應用領域，同時5G通信基站的建設等，也會成為電磁屏蔽和導熱產品新的增長點。

相對于4G手機，5G手機會有明顯的升級。首先芯片處理能力大概率會提升到4G的4～5倍，因此耗電量會大幅提升，導致發(fā)熱量也顯著提升；5G手機天線數量會是4G手機的5～10倍，這對電磁屏蔽的要求也更高；5G手機大概率會普及玻璃、陶瓷外殼等新材料，該類材料不會對5G信號產生屏蔽作用，但是散熱性比金屬差，因此需要更優(yōu)秀的導熱產品。

2 電磁屏蔽和導熱界面材料原理

2.1 電子屏蔽原理

電子設備在通電啟動之后，其內部的電流產生電磁波，這種電磁波會對周邊其他電子設備的信號接收、發(fā)送進行干擾，在嚴重時甚至會中斷其他電子設備的工作。

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

針對電子設備的電磁屏蔽主要有2種方式。一種是電子設備的結構本體，通常是由鋼板、鋁板、銅板或金屬鍍層、導電涂層等制成。另一種是屏蔽襯墊，是一種具有導電性的電磁屏蔽產品，專門用于解決結構本體縫隙處的電磁屏蔽問題，通常是由金屬、塑料、硅膠和布料等材料通過沖壓、成型和熱處理等工藝方法加工而成。

2.2 導熱材料原理

導熱材料主要用于解決電子設備的熱管理問題。在熱力學中，散熱就是熱量傳遞，主要有3種熱量傳遞的方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。根據熱量的傳遞方式，一般散熱系統(tǒng)就由風扇、散熱片和導熱界面器件組成（圖2）。

導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，利用導熱界面器件的特性提供導熱效率。發(fā)熱元件與散熱元件因為表面不平整，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。采用了導熱界面器件后，能有效提高電子設備的工作穩(wěn)定性和使用壽命。運行中產生的熱量將直接影響電子產品的性能和可靠性。試驗已經證明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%；溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的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，散熱問題已經成為電子設備亟需解決的問題。導熱材料主要是應用于系統(tǒng)熱界面之間，通過對粗糙不平的結合表面填充，用導熱系數遠高于空氣的熱界面材料替代不傳熱的空氣，使通過熱界面的熱阻變小，提高半導體組件的散熱效率，行業(yè)又稱“熱界面材料”。

3 電磁屏蔽和導熱界面材料

3.1 電子屏蔽材料

電磁屏蔽元器件的技術水平和發(fā)展路線主要由電子屏蔽材料的發(fā)展所主導，電子屏蔽材料的電導率、磁導率及材料厚度是屏蔽效能的3個基本因素。電磁屏蔽材料未來將向屏蔽效能更高、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)和應用，未來在電磁屏蔽領域的應用也將占有一席之地。隨著未來的技術發(fā)展，電磁屏蔽材料將往導電性能好、加工工藝簡單、性價比高、適合大批量生產等方面發(fā)展。而未來越來越多類型的電子設備將被納入到電磁兼容管理的標準中來，電磁兼容的標準也將愈發(fā)的嚴格，可以預見電磁器件工藝材料的持續(xù)升級趨勢將是確定性方向下游消費電子產品因為個性化的設計，電磁屏蔽產品多是針對下游電子產品的電子元件分布特點和電磁屏蔽需求，對電磁屏蔽材料進行的二次設計、開發(fā)。獨特的行業(yè)需求，極大地促進了電磁屏蔽與導熱產品的應用和創(chuàng)新。因此企業(yè)會配置設計中心，根據客戶的需求，對其產品進行全面的分析，提供完全個性化的定制電磁屏蔽及導熱產品。

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

導電塑料器件主要采用導電填料（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）〕填充復合而成，具有質量輕，耐候性好，環(huán)保并可回收再利用等特點，廣泛應用于IT、通訊器件、軍工、航天航空等領域中的抗電磁干擾（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電。導電硅膠的產品主要用于戶外和水下設備，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問題的廣泛的電子設備中。其材料可以選用鈹銅、或不銹鋼，產品具有良好的彈性，因而具有極好的重復使用性。金屬簧片能夠適應多種特殊環(huán)境，同時能利用不同的鍍層實現(xiàn)與其他接觸表面的電化學兼容性。

導電布襯墊是一種用于導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，利用新型吸收原理—電磁共振及渦流損耗制備而成，產品具有厚度薄、質量輕、吸收頻帶寬、吸收率高等特點。吸波器件主要用于屏蔽外界電磁波、提高雷達精準度、用于微波暗室進行測量、提高設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電高分子材料，依靠本身良好的導電性達到電磁屏蔽的目的電磁屏蔽產品主要用于通訊行業(yè)、消費電子，另外還有汽車電子、醫(yī)療、軍工和電力等領域。

近來，出現(xiàn)了一種新的屏蔽技術——共形屏蔽。不同于傳統(tǒng)的采用金屬屏蔽罩的手機EMI屏蔽方式，共形屏蔽技術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，不占用額外的設備空間，主要用于PA、WiFi/BT、Memory等 SiP 模組封裝上，用來隔離封裝內部電路與外部系統(tǒng)之間的干擾。共形屏蔽技術可以解決SiP內部以及周圍環(huán)境之間的EMI干擾，對封裝尺寸和質量輕重幾乎沒有影響，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，未來有望隨著SiP技術以及設備小型化需求而普及。

未來電磁屏蔽材料發(fā)展方向為：金屬類的會超薄化；填充類的如導電塑料件、硅膠件會選擇更加高效、生產成本低的材料；導電襯墊將采用更薄的原料布和性能更好得泡棉；使用碳素系導電粉的導電涂料等。

根據BCC Research，全球EMI和RFI市場2016年接近60億美元，到2020年預計將達到79億美元，復合年均增長率（CAGR）增長5.6%。亞太地區(qū)作為全球最大的電子設備和部件生產中心，預計到2020年EMI和RFI市場CAGR為4.8%。

未來無論是5G基站還是5G手機，都會激發(fā)電磁屏蔽產品的旺盛增量需求，尤其是緊隨5G時代之后的“萬物互聯(lián)”時代，高頻率和聯(lián)網移動終端的密集會使得電磁波輻射成為抑制電子設備產品性能的一道瓶頸。

3.2 導熱材料

隨著5G時代單一電子設備上集成的功能逐漸增加并且復雜化以及設備本身的體積逐漸縮小，對電子設備的熱管理技術提出了更高的要求，如對導熱材料的導熱系數和長時間工作的導熱穩(wěn)定度要求逐漸提高。這一趨勢為導熱材料的發(fā)展提供了機會。

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

3.2.1 導熱膏

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

3.2.2 片狀導熱間隙填充材料

片狀導熱間隙填充材料通常被稱為導熱硅膠片、導熱硅膠墊等，具有優(yōu)秀的導熱能力、絕緣性、柔韌性等，是一款專門利用填補空隙來傳遞熱量的產品，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。片狀導熱間隙填充材料可應用在各種元器件表面與散熱器，外殼等之間起導熱、絕緣、粘接、防震等作用。該類產品可任意裁切，利于滿足自動化生產和產品維護。有些產品通過加玻璃纖維網、表面金屬層等方式來增加其機械強度及可操作性，還有導熱膠帶等具有粘接等附加功能的產品。

3.2.3 液態(tài)導熱間隙填充材料

液態(tài)導熱間隙填充材料又稱導熱膠，是一種就地成形的導熱產品，其在固化前有一定的流動性，填充性能好，尤其適合對壓力敏感、間隙不好控制或偏差較大、非平行表面等場合。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到平衡，易于清理或粘接。常用于汽車電子、通訊設備、計算機和外設中發(fā)熱半導體和散熱器之間的導熱應用。

3.2.4 相變化導熱界面材料

相變化導熱界面材料中的部分基材在受熱后會從固態(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提高熱傳遞效率。相變化導熱界面材料在常溫下是固體，十分便于大批量生產及管控，對很多表面黏貼封裝器件使用非常方便，常用于計算機和外設、高性能計算機處理器、顯卡、電源模塊等的導熱應用。

3.2.5 導熱凝膠

導熱凝膠（GEL）是一種凝膠狀態(tài)的導熱材料，通過把導熱膏里面的硅油鉸鏈到一起，解決了導熱膏易于流動及長時間高溫工作變干等問題，此產品具有極低的熱阻和壓縮變形應力，并且此產品在應用時不需要混合、攪拌或任何固化過程，并易于清理及修整。目前GEL已在汽車電子、通訊設備、LED燈具等領域中廣泛應用。陶氏化學在 2018年的亞洲消費電子展上，發(fā)布了其最新研發(fā)的針對于手機電子元件熱管理的新型陶熙TC—3105有機硅導熱凝膠。該款產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)熱時固化從而提高接觸面積的特點。各大手機品牌也陸續(xù)開始在新機上嘗試使用“水冷散熱技術”，該技術的原理是在手機中放置銅管，并在銅管中加入導熱液體（水或乙二醇），導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流動，然后流動至低溫處實現(xiàn)熱傳遞并凝結回液態(tài)。

3.2.6 石墨膜

導熱石墨膜是一種碳分子高結晶態(tài)組成的全新的高導熱散熱材料，能沿X、Y兩個方向均勻高效導熱，且石墨的片層狀結構能適應多數表面，因此有著極佳的導熱功能。高導熱石墨膜平面內具有150～1 700W/（m·K）的超高導熱率，具有柔軟、易加工的特點，可用于包覆（如有絕緣要求）或非包覆要求場合，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，無氣體和液體滲透性，石墨層不老化和脆化，適用于大多數化學品介質，廣泛應用于智能手機，平板電腦等需要高散熱解決方案的電子產品。

石墨是碳質元素結晶礦物，其晶體是六角平面的網狀結構。因其特殊的結晶結構，每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵，每個碳原子仍保留1個自由電子。因此石墨晶體能導熱、導電，同時具有耐高溫、熱膨脹系數小的特點。石墨的比熱容與鋁相當，約為銅的2倍，石墨的熱阻卻遠高于鋁，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。

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

目前導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，隨著消費電子等產品的高功耗化、內部結構緊湊的大趨勢，人工石墨膜的需求空間非常大。

導熱石墨膜的散熱技術成熟且相對而言成本更低，是目前多數電子設備的首選，但是隨著5G時代的到來，電子設備的核心零部件散熱需求顯著提升，市場急需新工藝、新材料的誕生。隨著技術的不斷發(fā)展，電子產品對熱管理方案有著更高的要求，因此對導熱石墨膜材料將提出更多新的要求，如厚度更薄、導熱性更好，以及可加工為3D結構產品，或與其他材料結合而形成復合多功能材料等。

4 展望

5G未來已來，世界也將因此而大為不同。5G智能手機零部件將迎來新的變革，硬件創(chuàng)新升級對智能手機的電磁屏蔽和導熱提出了新的要求，未來電子屏蔽和導熱產品也會隨著電子設備的更新向著高效、超薄化發(fā)展，同時仍將維持電子屏蔽和導熱材料多元化的局面?？梢灶A見的是，未來5G電子設備對電子屏蔽和導熱產品的需求將會大幅增加，而市場當下迫切需要新一代電子屏蔽和導熱產品的工藝升級、材料更新來迎接5G新時代。

參考文獻

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