科技發(fā)展日新月異，現(xiàn)今電子設(shè)備趨向輕量薄型化，內(nèi)部電子元件則越趨向于精密復(fù)雜，不僅內(nèi)部元件散熱難度隨之提高，還須兼顧元件之間的電氣特性以避免短路，尤其發(fā)熱問題關(guān)系到產(chǎn)品的壽命以及其發(fā)揮效能所需的能量多寡。有鑒于此，輕薄短小的電子產(chǎn)品亟需更佳的散熱機制來解決所產(chǎn)生的高熱問題。

根據(jù)TheMarketforThermalManagementTechnologies報告，熱管理產(chǎn)品在全球市場的市值預(yù)估可由2015年的107億美元成長至2021年的147億美元，年復(fù)合成長率（CAGR）為5.6%，不僅顯示熱管理是一重要產(chǎn)業(yè)，也代表市場上對熱管理產(chǎn)品的殷切需求。

電子系統(tǒng)散熱挑戰(zhàn)日益艱巨

石墨烯具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性，且熱輻射系數(shù)超過0.95，因此無論就導(dǎo)熱、散熱或熱管理的角度來看，從電子元件、零組件到LED，石墨烯若能提供符合設(shè)計需求的產(chǎn)品型態(tài)，則可有效改善現(xiàn)行散熱產(chǎn)品的效能。圖1所示為現(xiàn)階段可應(yīng)用于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)的石墨烯產(chǎn)品類型。本文將集中探討石墨烯應(yīng)用于散熱涂料、散熱片與熱界面材料的應(yīng)用現(xiàn)況。

目前業(yè)界解決電子元件或是LED元件散熱問題的方法可分為主動式散熱和被動式散熱。主動式散熱包含風(fēng)扇強制散熱和電磁噴流散熱，其中風(fēng)扇強制散熱顧名思義就是藉由風(fēng)扇產(chǎn)生強力的空氣對流，將熱空氣導(dǎo)出熱源或燈具本體之外來進行散熱，使用風(fēng)扇強制散熱可以藉由調(diào)控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速而有效的將熱排出，電腦或伺服器等電子產(chǎn)品若機構(gòu)空間充足，大都以風(fēng)扇進行強制散熱，不僅成本低廉且是相當(dāng)有效的散熱方式。

被動式散熱則包含自然對流散熱與回路熱管散熱，其中自然對流散熱是透過散熱器，例如散熱鰭片、燈具燈殼、系統(tǒng)電路板等和空氣進行直接接觸，散熱器周邊的空氣因吸收熱量成為熱空氣，接著熱空氣上升，冷空氣下降，自然就會帶動空氣產(chǎn)生對流，達到散熱的效果。對于機構(gòu)空間有限的電子產(chǎn)品，如手機或平板電腦，乃至于LED燈源等不適合加裝風(fēng)扇的產(chǎn)品，大多采用此種散熱方式。然而，此種方式的熱交換驅(qū)動力僅來自熱源與周圍空氣之溫差，加大接觸面積才能提高散熱效果。

隨著處理器的運作頻率不斷提高與高功率LED產(chǎn)品的推出，越來越多的廢熱需有更大的散熱表面積，然而采用自然對流方式的產(chǎn)品就是著眼于在有限空間之下提高散熱表面積，此法無異是有違初衷，而且散熱鰭片的材質(zhì)雖然常選用熱傳導(dǎo)系數(shù)較高的鋁和銅等金屬材料，但是金屬的高熱傳導(dǎo)性只能有效將熱源的熱經(jīng)由單一的點擴散到金屬面，降溫的機制仍然要靠金屬表面與空氣之間的溫度差以自然熱對流的形式發(fā)散，且一般金屬表面的熱輻射系數(shù)偏低，表面熱散能力相對不足，不利于以自然散熱為主的散熱模組。要進一步增加散熱效果，須提高熱輻射效率。

石墨烯散熱涂料解決「燙手山芋」

石墨烯除了先前所提具有非常優(yōu)異的熱傳導(dǎo)系數(shù)之外，MatsumotoT.等人發(fā)現(xiàn)石墨烯的熱輻射發(fā)射率在紅外線范圍為0.99，非常接近理論黑體輻射的熱輻射發(fā)射率1，因此作為熱輻射散熱材料有相當(dāng)大的潛力；相對于銅約0.09及鋁約0.02的熱輻射系數(shù)，石墨烯在散熱應(yīng)用上，兼具了熱傳導(dǎo)與熱輻射的特性。

就現(xiàn)實使用環(huán)境考量，散熱涂料長期處高溫環(huán)境或冷熱交替環(huán)境中，實際應(yīng)用上除要維持發(fā)揮散熱效果，還要考慮可靠度、機械強度、成本、加工性、附著性與耐候性等性能。

此外，若是應(yīng)用于終端產(chǎn)品，外觀顏色勢必也是考量重點；直接應(yīng)用于元件的涂料，則可能需要額外考量絕緣性問題。

噴涂法簡單方便散熱效果/環(huán)保性有疑慮

以散熱鰭片而言，通常為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不規(guī)則曲面，其最佳涂布方式即如噴漆一般，以低黏度液體漿料直接噴涂于鰭片表面，再行烘烤完成固化附著。這是最簡便，也是多數(shù)使用者最易操作的方式。然由于涂料是靠固化型樹脂作為黏結(jié)劑，將石墨烯附著于物件或鰭片表面，而所有樹脂類材料都是低熱傳導(dǎo)材料，因此石墨烯散熱涂層的熱傳導(dǎo)系數(shù)受樹脂影響，將無法與金屬比擬。

此作法的主要目的是在金屬表面形成一熱輻射層，因此涂層厚度通常介于10~30μm，涂層過厚反而可能因熱阻過大而影響散熱性能。

現(xiàn)今環(huán)保意識高漲，各國政府從法規(guī)層面上對產(chǎn)品環(huán)境友善性在法規(guī)上的限制越來越嚴苛，如歐盟在ROHS禁用物質(zhì)與大陸十三五計畫對VOC排放的限制均是明顯例證。因此，液體類漿料所含有的有機溶劑越來越難通過環(huán)保法規(guī)。

石墨烯粉體相對環(huán)保然僅適用于金屬材質(zhì)

石墨烯粉體散熱涂料正是改善此一限制的最佳選項之一，石墨烯粉體涂料的特點為不含溶劑，百分之百均為固成分，其主要作法是在高溫時將石墨烯粉體均勻與樹脂混合分散，即在高溫下石墨烯粉體與樹脂形成融熔狀態(tài)，再降溫造粒為粉體狀態(tài)。

在操作使用上，粉體涂料利用靜電槍帶電吸附于帶相反電荷的基材上，后續(xù)再經(jīng)高溫固化轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪鶆蛲繉?，其制程與汽車烤漆完全相同，由于必須利用電荷吸引的方式操作，因此基材必須被限制為金屬材料才能涂覆，而涂層厚度約50~100μm較液體涂裝厚。

在散熱效果的表現(xiàn)上而言，下述分別以鋁板為基材，針對液體散熱涂料及粉體散熱涂料進行測試比較。測試方式敘述如下圖4所示，將石墨烯粉體散熱涂料單面噴涂于100*100*1mm的鋁板（左邊鋁板）上，在鋁板另一面以導(dǎo)熱膏黏附8瓦的LED，在驅(qū)動后等待15分鐘達到熱平衡，空白鋁片（右邊鋁板）熱源溫度Tj為80.5℃。測試得知石墨烯液體散熱涂料與粉體散熱涂料的熱源溫度Tj分別為68.6℃與66.1℃，皆有著12℃~15℃的顯著降溫表現(xiàn)，如表2所示。

由于散熱涂料對于散熱鰭片有顯著的增強效果，換句話說，若在相同的熱源溫度規(guī)范下，有散熱涂料涂覆的散熱鰭片僅需較小的散熱面積即可達成，相對可減少散熱鰭片的體積，使系統(tǒng)體積下降或降低鰭片成本。

散熱涂料噴涂于散熱面積64cm2的鋁板，其熱源降溫表現(xiàn)已優(yōu)于散熱面積100cm2的空白鋁板，由此測試結(jié)果可知石墨烯散熱涂料的使用，可在相同散熱表現(xiàn)下減少散熱模組至少30%以上的所需面積。

進一步將石墨烯粉體散熱涂料噴涂于模組廠實際使用的鋁金屬鰭片（HeatSink），表4所示為結(jié)構(gòu)相同但不同散熱面積的兩組散熱鰭片，由測試結(jié)果可看到，雖然兩種鰭片的空白測試溫度幾乎一致，但散熱面積較小的鰭片2降溫效果反而比鰭片1佳，此結(jié)果可推論為較大的鰭片1熱容值高，相對散熱影響因素的熱容、熱傳與熱逸散中，散熱涂料所增進的熱逸散影響因素在此測試下影響較小，導(dǎo)致其溫差效果不如鰭片2來的明顯。

散熱涂料所能表現(xiàn)的散熱效果受模組設(shè)計影響，若模組設(shè)計中熱能局限點主要為熱逸散階段，石墨烯粉體散熱涂料所表現(xiàn)的降溫效果會愈顯著。

在前述的應(yīng)用測試中，鰭片1呈現(xiàn)白色，鰭片2則是呈現(xiàn)黑色。這也顯示，石墨烯散熱涂料對于有顏色考量的外觀件產(chǎn)品，未必能夠適用。為因應(yīng)此需求，利用石墨烯高透光特性開發(fā)透明散熱涂料有其必要性。

當(dāng)選用厚度接近單層石墨烯的材料作為散熱涂料時，其顏色就會趨近于透明，如圖5。表5則是這種散熱料的散熱效果比較。實驗結(jié)果顯示，透明散熱涂料僅略差于前述石墨烯液體散熱涂料，對比于空白片仍有10℃以上的溫差表現(xiàn)。透明散熱涂層的穿透度依噴涂工藝不同，可達70~85%，且若透過色粉調(diào)控，還可具有調(diào)色性。

石墨烯散熱片效能實測

由于石墨烯具有高熱輻射系數(shù)，附著于金屬表面可增加金屬散熱能力，因此若將石墨烯涂料以卷對卷涂布方式涂覆于銅箔的單一表面上，可進一步加強銅箔的散熱能力。

進一步測試此種銅箔的散熱效果，測試方式如圖7所示，于未涂布散熱涂料面貼附電熱片作為熱源，并量測該熱源處溫度Tj的變化，測試結(jié)果如表6所示。當(dāng)石墨烯散熱涂料涂布于厚度16μm的銅箔，涂層厚度30μm下，熱源溫度可由純銅箔的88.9℃下降至83.3℃，雖然與人造石墨片相比仍有差距，不過經(jīng)過石墨烯涂布的散熱片仍比人造石墨片便宜，可說是介于銅箔與人造石墨片之間的解決方案。

散熱片一般通常針對大面積貼附整個載板進行散熱，若需要針對單一IC元件散熱不見得適用，尤其IC元件需要避免短路問題，散熱片的絕緣性需大于1010~1012歐姆，無法直接貼附金屬箔片。常見的解決辦法是于金屬箔片上再貼附一層聚醯亞胺膜作為絕緣層，不僅增加成本，也無法避免金屬掉粉而導(dǎo)致的短路問題。

石墨烯具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性，同時也擁有高導(dǎo)電性。不過，透過漿料配方的調(diào)整，可在相近的散熱性能下，將石墨烯散熱涂料的絕緣性拉升到1010歐姆以上，如此即可以單一絕緣散熱層取代兩層結(jié)構(gòu)，不僅節(jié)省成本也完全避免短路問題。

圖8所示為此種石墨烯絕緣散熱片示意圖，其構(gòu)造為離型層，即石墨烯散熱涂層加上背膠的結(jié)構(gòu)，使用時以背膠貼上發(fā)熱源后再撕除離型層變?yōu)閱螌咏Y(jié)構(gòu)，直接將石墨烯散熱層裸露接觸空氣，達到最佳散熱效果。

在散熱效能上，絕緣散熱貼片的散熱表現(xiàn)測試方式是用7W功率驅(qū)動固定于3*3cm2鋁片的電熱片，鋁片背面則貼上散熱片，電熱片使鋁片發(fā)熱后以鋁片作為熱源，等待約15分鐘溫度達平衡后比較熱源溫度的降溫表現(xiàn)。表7結(jié)果顯示，石墨烯絕緣散熱貼片的散熱效果優(yōu)于一般商用散熱片。從以上一系列測試可證明石墨烯散熱涂料產(chǎn)品，在散熱效能上具有良好的表現(xiàn)，并將調(diào)制成各式型態(tài)后可以滿足各種產(chǎn)品的散熱需求。

石墨烯熱界面材料

電子元件最常使用的散熱方式是使用有具高導(dǎo)熱性的散熱鰭片與晶片貼合，并將由晶片散發(fā)的熱量經(jīng)由熱對流或熱輻射的形式釋放至大氣環(huán)境，而熱的傳遞通常會先經(jīng)由熱材料再傳至散熱鰭片，其中熱界面材料（ThermalInterfaceMaterial，TIM）主要用來貼合熱源與散熱鰭片并填補兩者之間的縫隙。

如圖9所示，兩個同質(zhì)或異質(zhì)固體材料在平面接合處，不管使用多大的壓力或研磨多平整，都不可能完全緊密接合，因為中間細微的不平整與起伏，都會造成接面僅有部分接觸，其中的孔隙或孔洞存在有空氣，而空氣是極差的熱傳介質(zhì)，在室溫下熱導(dǎo)值僅0.0242W/m?K，因此熱傳導(dǎo)途徑將被空氣阻礙，整體的導(dǎo)熱瓶頸將被限制在接面處。熱界面材料利用其本質(zhì)的流動性或遇熱軟化甚至相變化特性，可充分填滿兩個接觸面的孔洞或凹凸起伏，形成連續(xù)的低熱阻散熱途徑，熱量傳導(dǎo)到低溫環(huán)境使電子元件的工作溫度下降。

熱界面材料分類

熱界面材料從應(yīng)用面來看，第一階層構(gòu)裝用于裸晶片與封蓋元件之間的熱界面材料稱為第一階層熱界面材料（TIM1），因為與發(fā)熱量大的處理器晶片直接接觸，TIM1必需具備低熱阻與高導(dǎo)熱的特性，熱膨脹系數(shù)也必須與晶片匹配，因此膠體類的TIM較為適合。用于構(gòu)裝晶片外與散熱器之間于第二階層構(gòu)裝用熱界面材料稱為第二階層熱界面材料（TIM2）。TIM2的要求較TIM1低，使用導(dǎo)熱膏或?qū)崞鳛門IM材料配合散熱鰭片進行散熱較為常見。圖10所示為TIM1及TIM2分別在不同的電子構(gòu)裝階層的位置與熱能從晶片傳導(dǎo)到散熱鰭片的途徑。

一般熱界面材料依形態(tài)可分為固態(tài)、膠態(tài)與相變化材料。固態(tài)熱介面材料有導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱填縫材、導(dǎo)熱膠帶及石墨片；膠態(tài)的有導(dǎo)熱膏、接著固化型的導(dǎo)熱膠或灌封膠。

通常而言，導(dǎo)熱膏是以高分子為基底搭配陶瓷或金屬填充粒子組成，其中矽氧樹脂由于具有良好的熱穩(wěn)定性、潤濕性和低彈性系數(shù)，是最普遍使用的高分子基材，而陶瓷填充粒子常用的是氧化鋁、氮化硼、氧化鋅和氧化矽等，銀與鋁則是較常見使用的金屬填充粒子。當(dāng)高分子基材與填充粒子充分混合后形成膏狀，使用時將導(dǎo)熱膏適量涂抹在接觸面后，加壓使散熱膏溢流進孔洞并排出空氣達到散熱效果。

石墨烯熱界面材料性能探究

為了解石墨烯實際上應(yīng)用于熱材料的性能，Khan等人以10vol.%的多層石墨烯為導(dǎo)熱助劑，添加于環(huán)氧樹脂中作為熱材料，可增加2300%導(dǎo)熱系數(shù)。添加2%于市售熱界面材料（使用鋁粉或氧化鋅粉作為導(dǎo)熱添加劑），則其導(dǎo)熱系數(shù)K值可由5.8W/m?K增加到14W/m?K。

如圖11所示，此數(shù)值比添加同樣石墨或碳黑粒子所得到復(fù)合高分子材料的導(dǎo)熱系數(shù)為佳。表8比較各種非碳、奈米碳管、石墨烯、石墨和鉆石作為填充粒子在TIM的導(dǎo)熱性能，在以相同的環(huán)氧樹脂作為基材，并以雷射閃光法進行熱傳導(dǎo)測試的比較數(shù)據(jù)，石墨烯添加僅10vol.%于環(huán)氧樹脂即達5.1W/m?K，而銀粒子填充到28vol.%時，仍只有3W/m?K，而氮化鋁粉體添加到40vol.%時，更僅有1.3W/m?K，由此可知石墨烯應(yīng)用在熱材料相當(dāng)具有潛力。

就市場實際應(yīng)用面來觀察，現(xiàn)在市面上的主流導(dǎo)熱膏，導(dǎo)熱系數(shù)約落在25W/m?K之間居多，絕大多數(shù)使用陶瓷或是金屬顆粒作為填充料，由于顆粒尺寸多屬微米或次微米等級，因此填充量都在50wt%以上才能有明顯的導(dǎo)熱效果。而石墨烯屬奈米材料，體積龐大，在相對少量的重量比添加量下，即有效填充于母體材料。

該石墨烯導(dǎo)熱膏的效能測試如圖12所示，以4.0V/1.6A驅(qū)動貼于3*3cm2大小鋁片上的電熱片，鋁片與鋁散熱鰭片間的微空隙則以適量導(dǎo)熱膏填補作為熱界面，即時記錄測試模組電熱片溫度。未使用導(dǎo)熱膏的加熱源溫度為96℃，使用市售的中階導(dǎo)熱膏溫度下降至92℃，而石墨烯高效能導(dǎo)熱膏則可進一步降溫至90℃。

石墨烯導(dǎo)熱性能優(yōu)越各類應(yīng)用均有發(fā)揮空間

石墨烯有卓越的本質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)，近黑體輻射0.99的熱輻射發(fā)射率與特殊的平面?zhèn)鲗?dǎo)機制，使得石墨烯運用在熱管理產(chǎn)品的開發(fā)上方興未艾。

本文簡述了石墨烯應(yīng)用于散熱涂料、散熱片與導(dǎo)熱膏的實際表現(xiàn)，而石墨烯適用的散熱產(chǎn)品領(lǐng)域遠不僅于此，舉凡需要提升導(dǎo)熱性能的產(chǎn)品，只要均勻分散石墨烯于母體材料，都能有效達其目標(biāo)。

總體而言，石墨烯超群的性能表現(xiàn)在研究開發(fā)上得到了許多驗證，如何導(dǎo)入商品量產(chǎn)并兼顧成本效益，將是未來石墨烯散熱產(chǎn)品發(fā)展是否成功的重要關(guān)鍵。