新材料分析：电子产品散热材料（石墨散热膜）并非越薄越好 |【富海分享】

导读：

石墨散热膜只是电子产品散热系统的一个导热的组件。石墨散热膜的用途主要是用于满足特殊设计要求（如减轻重量、减少厚度等）时，用于替代铜、铝等传统材料。目前人工石墨散热片已经被广泛应用于消费电子领域，但价格仍然偏高。

行业竞争格局上来看，目前国内具备人工石墨散热片量产能力的企业不多，性能与国外巨头差距不大，但价格相比国外巨头低。同时，上游主要原材料（PI膜）被国外公司把控，原材料价格波动会对行业产生较大影响。

虽然石墨烯导热系数优于石墨，但由于技术不成熟，目前市面上的石墨烯散热片导热性能不如石墨散热片，因此未得到大规模应用。此外，综合来看，散热片导热系数对散热系统导热能力的影响是次要的，不是目前制约导热系统性能的主要瓶颈。因此短时间内，由于产能、供应商资质认证等壁垒，石墨烯散热片替代石墨散热片的可能性不高。

本文由富海新材基金团队原创，首先介绍电子产品散热的原理及散热系统的原理结构，然后介绍在电子产品散热系统中的导热组件—石墨散热膜（片），以及石墨散热片的可能替代产品—石墨烯散热片，帮助大家普及一下当前石墨散热材料的知识。

 一、散热原理

1.1 热量传递的原理

凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体，或者从物体的高温部分传向低温部分。温度差为热传递的驱动力，温度差越大，热传率越高。热量传递是自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。

三种热传递的基本方式：

• 导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或者热传导）。
• 对流：对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。
• 辐射：不需要接触，就能够发生热交换的传递方式。热辐射实质就是以波的形式达到热交换的目的。

1.2 电子产品散热的原理

电子产品中，热量传递的过程如下图：

图1  电子产品散热原理

• 产热：各类产热器件产生热量，并将热量传递到其表面。
• 取热：散热器（散热模组）与产热器件的表面接触（或通过导热界面材料与产热器件接触），从产热器件中将热量取到散热器中。
• 内部热传输：主要指热量在散热器中传输的过程。
• 散热：散热器将热量散至外部环境，降低电子产品温度。

在热量传递的过程中，依据散热器结构的不同，会结合导热、对流、辐射的方式进行热传递。

1.3  热阻

热量传递的重要指标是热阻，热阻是反映阻止热量传递的能力的综合参量。当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻；在对流换热过程中，固体壁面与流体之间的热阻称为对流换热热阻；两个温度不同的物体相互辐射换热时的热阻称为辐射热阻。

当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分（如下图），其余部分都是缝隙。

而导热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），也叫界面导热材料。是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙和表面凹凸不平的孔洞，减少传热热阻，提高散热性能，原理如下图。

图2   界面导热材料

实际上，目前制约导热系统性能的瓶颈主要就是导热界面材料，如导热膏、导热胶等的导热系数太低，导热效果较差。

二、石墨散热膜（片）

2.1 概述

石墨晶体有着特殊的六角平面网状结构（如下图）,具有耐高温、膨胀系数小、导热导电性好、化学性能稳定的特点。

图3  石墨晶体结构

石墨特殊的晶体结构使其导热性主要集中在水平方向（a-b面）,而在石墨晶体的垂直方向上,石墨导热性能很低,隔热性能良好,因此石墨晶体具备良好的水平导热、垂直阻热效果,是良好的导热介质。与其他材料相比，石墨导热性能优秀（如下图）。

图4    各种材料a-b面的热传导率（以松下产品为例）

注：热传导率（导热系数）是指在稳定传热条件下,两个1m厚的温度均匀且温差为1K的材料，有效接触面积为1平方米,在1秒钟内(1S),通过这1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米·度 (W/(m·K))。

由于石墨的导热性能良好，可以实现热量的快速传递，因此常作为导热器件被用于电子产品的散热系统中。石墨散热片就是通过将热量均匀的分布在二维平面从而有效的将热量转移，保证组件在所承受的温度下工作。同时，由于石墨可以导电，因此具有一定的电磁屏蔽的功能。

图5   松下PGS石墨散热膜实物

2.2  技术路线

目前，市场中的散热膜材料主要分为三类：天然石墨散热膜、人工石墨散热膜和纳米碳散热膜。

名称；优点；缺点；发展前景

天然石墨散热膜；价格低；最薄只能做到0.1mm，散热效果最差；差

人工石墨散热膜；目前市面上最薄的产品可以做到0.01mm，散热效果好；加工工艺复杂，良率较低，因此价格较高；目前在市面上广泛应用，例如iPhone

纳米碳散热膜；最薄可以做到0.03mm，散热效果最好，加工工艺简单，价格低（甚至可能低于天然石墨）；好

目前市面上最好的天然石墨厂商是美国GRAFTECH，人工石墨厂商是日本松下，纳米碳散热膜厂商是韩国SKC。美国的GRAFTECH，是老牌的石墨厂商，拥有天然石墨的很多专利。日本松下研发能力非常强，有一些人工石墨的专利。纳米碳散热膜韩国SKC是韩国最大的企业之一，是全球领先的化学薄膜生产商，自身有很强的研发能力，拥有一些纳米碳散热膜的专利。三个品牌的散热膜各有优势，目前广泛应用在各个品牌的手机等消费类电子产品上。

• 天然石墨散热膜制备方法：

图6  天然石墨散热膜制备方法

• 人工石墨散热膜制备方法：

图7  人工石墨散热膜制备方法

• 纳米碳散热膜制备方法：（暂无）
• 纳米碳散热膜加工只用开模，冲切就可以完成。

纳米碳散热膜资料较少，据推测，应当是李永乐碳纳米管材料，采用掺杂的形式，提高材料的导热系数。

2.3  实际应用

石墨本身易碎的特性使其不能作为单独的石墨散热膜使用，市面上常见的产品多为和铜箔、高分子膜和胶带制成的复合膜。（下图为松下公司主要石墨散热复合膜产品）

图8   松下公司复合膜产品简介（点击可查看大图）

在制成复合膜后，石墨散热膜将作为散热器中的导热器件（如下图）。通过石墨将迅速热量传导至散热部位，实现快速散热。

图9   常见散热器结构

2.4  产业链

目前人工合成石墨散热膜已经广泛应用，因此具有完备的产业链。人工合成石墨散热膜的主要原材料为聚酰亚胺（PI）膜,辅料主要包括保护膜和胶带。目前，全球主要的PI膜生产厂商占有90%的市场份额，上游市场较集中，原材料价格波动会对石墨散热膜成本带来较大影响。上游主要厂商简要介绍如下表：

名称、经营状况

美国杜邦公司

美国杜邦公司是世界上最早向市场提供PI膜的公司。杜邦公司目前PI薄膜产品的总生产能力为3000吨/年。所属三个生产厂，分别设在美国、日本、台湾

东丽-杜邦公司（由日方控股）

东丽-杜邦公司生产的PI薄膜年产量为1775吨

日本钟渊化学工业公司

钟渊化学PI薄膜年生产能力已经达到2600吨，其生产的电子级PI薄膜，占世界的35%，产量达到1995吨，其市场占有份额在世界排名第一位。世界综合市场占有率为30%

日本宇部兴产公司

宇部兴产电子级薄膜的年产量在1200吨以上，在世界此类薄膜产品市场份额约为13%

韩国SKC公司

韩国SKC公司PI薄膜产能达到900吨/年，其PI薄膜产品在中国已有一定的市场空间，韩国SKC公司的电子级薄膜在世界市场上的份额达到9%左右，生产量为750吨/年

台湾达迈科技公司

台湾PI薄膜唯一生产厂家，在台湾电子级PI薄膜市场占有率较高

溧阳华晶

年产量达到130吨，性能接近，价格约为国际厂商的60%

常熟中讯

120吨/年

宁波今山电子材料

150吨/年

江阴天花科技

100吨/年，主要出口国际市场

无锡高拓

耐电晕PI薄膜填补国内空白

石墨散热膜的下游主要是电脑，平板电脑，手机，LED，家电，网络设备和电源的生产制造厂商。石墨散热膜最主要的用途是在消费电子中，如电脑、平板和手机。

图10  蓝线圈出部分即为MacBook主板及下附的石墨散热膜

2.5 竞争格局

高导热石墨膜自2009年开始批量应用于消费电子产品，2011年开始大规模应用于智能手机，属于新兴行业。目前全球市场上量产高导热石墨膜的公司主要有日本松下、美国Graftech、碳元科技、日本Kaneka等，行业集中度较高。

行业参与者、简要情况

日本松下

日本松下元器件公司是日本松下集团旗下公司，该公司从1998年起由日本松下元器件北海道千岁工厂开发生产PGS石墨膜，2012年该公司开发出了厚度仅为l0微米厚的石墨膜产品

Graftech

始建于1886年，是世界上最大的石墨电极生产者，同时也是世界最大的石墨炭素制品供应商。1996年在纽约交易所上市

Kaneka

日本大型化工产品上市公司，主要产品包括多功能塑料、膨胀塑料、合成纤维等

碳元科技

产品质量与国际水平相当，目前已经成为三星、华为、OPPO、魅族、VIVO等手机品牌的供应商。2015年申报IPO，目前尚未过会

新纶科技

上市公司（002141.SZ），2014年试产人工合成石墨散热膜。光学胶带类、高净化保护膜类、高净化胶带类，石墨散热膜等业务共占比16.6%。其中石墨散热膜在其中占比较小

云天化

2015年8月，云天化集团高导热石墨膜项目中试生产线近日在水富云天化有限公司成功生产出合格产品。云天化在2014年建成的首条2万平方米/年高导热石墨膜试验生产线的基础上，2015年年又新增了4条2万平方米/年高导热石墨膜中试生产线

嘉兴中易碳素

12微米高导热石墨膜，月产能可达10万平方米。2014年营收七千万，2015年营收在2亿元左右

镇江博昊

产能90万平方米/年，已经进入三星、联想、微软、索尼、爱立信、小米、OPPO等下游厂商的供应商体系，但未直接向其供货

2.6 发展趋势

首先，值得一提的是，新型的高导热系数的石墨散热膜并非万能药，也不能下定论说它就是比铜、铝等传统散热材料好，只是在一定的应用条件下，它具有一定的优势。

热系统存在的问题，如果是应用条件的限制，如局部过热、需快速导热、空间限制等，可以选用石墨散热膜进行针对性的解决，不过可能还需要金属散热器配合使用。但如果是整体过热，风道有问题等，石墨散热膜也无法解决散热问题。

散热系统需要结合具体的应用环境进行整体考虑，热系统包括吸热能力、导热能力和散热能力等方面，且受到众多条件的制约，需要达到平衡才能发挥最大的效应。仅仅是某一环节很强并不能提升整体的散热性能，当某一条件出现短板时，需通过一定的手段进行弥补或者调整，达到整体的平衡。

但就目前市场情况来说，随着应用范围的增多，市场对于高导热石墨膜的需求将更加多元化，高导热石墨膜产品将向着厚度范围更广，导热效率更高的方向发展。

值得一提的是，石墨散热片并不是越薄越好，而是应当符合具体场景的厚度要求。例如，在手机机壳后的石墨散热片，应当填满手机与机壳之间的缝隙，才能使得热阻较小，散热效果较好。

三、石墨烯散热片

3.1 石墨烯

石墨烯是由sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体，通俗来讲就是单层碳原子组成的单层石墨，其厚度仅为0.334nm。石墨烯最早被发现是在2004年，并获2010年度诺贝尔物理学奖。目前学术界对石墨烯的研究仍然集中在对单层石墨烯的性能表征和应用上。严格单层石墨烯的制备和表征仍是非常大的难题。而产业推广则以石墨烯应用产品为主，以最终产品的性能为导向，两者有很大区分。

石墨烯是人类已知的最薄最坚硬的纳米材料，强度是钢铁的数十倍，同时还具备良好的拉伸性。导热系数高达5300W/(m•K)，高于碳纳米管和金刚石；常温下其电子迁移率很高，而电阻率很低，比铜或银更低，是目前世上发现的电阻率最小的材料。同时还具备极大的比表面积。由于其优质的特性，石墨烯可被广泛应用于锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等方面。

严格意义上，单层的石墨烯才被称为“石墨烯”，其大部分优异的物理特性只有保持在纳米层级上才能有所体现。根据石墨烯层数的不同，其表现出来的特性将发生急剧的变化。以强度为例，1mm厚的石墨包含约300万层的石墨烯，但石墨的强度绝对不是石墨烯强度的简单叠加。从微观特性到宏观应用的过程，是石墨烯产业化应用必须面对的问题之一。目前，大多数被实际使用的石墨烯材料是一个统计学的概念，一般情况下定义碳原子层在1~10层以内即为石墨烯材料。产业应用以添加了石墨烯的最终成品的形式推广，而非原始的石墨烯原材。

3.2  石墨烯散热片

在散热材料市场，石墨烯具有应用的潜力，具体可分为石墨烯改性塑料和石墨烯散热片两种产品形式。石墨烯改性塑料具备成本低、重量轻、易加工等特性，且散热效果相差无几，可用作LED散热结构组件、散热管道、消费电子塑料外壳等领域。

石墨烯导热性的另一个应用则是作为石墨散热片的替代品。石墨烯散热片使用石墨烯粉体浆料，涂覆在其他材料（如铜箔）上制成，具备比石墨散热片更薄、更柔韧、成本更低。但是由于目前的石墨烯散热片只是石墨烯涂覆在其他材料上制成的，因此实际导热效果不如石墨散热片。一方面由于导热系数低于石墨散热片，另一方面是由于其表面不够平整，因此热阻较高。

目前市面上石墨烯散热片产品较少，报道较多的是2013年贵州新碳高科研制生产出柔性石墨烯散热薄膜，其采用的就是将石墨烯粉体浆料涂覆的方式。