电磁屏蔽和导热材料发展现状及行业趋势

罗文谦

1 前言

在2019年西班牙巴塞羅那“世界移动通信大会”上，华为率先发布了首款折叠屏5G手机——华为Mate X。它搭载8英寸的柔性可折叠OLED显示屏，支持5G信号，峰值高达4.6 Gbps，1G的电影3s就可以下载完成。这款手机惊艳了全世界，华为在全球范围打响了5G头炮。5G时代高频率的引入、硬件零部件的升级以及联网设备及天线数量的成倍增长，这对产业链上相关的材料提出了新的要求和挑战：设备与设备之间及设备本身内部的电磁干扰无处不在，电磁干扰和电磁辐射对电子设备的危害也日益严重。同时伴随着电子产品的更新升级，设备的功耗不断增大，发热量也随之快速上升。未来高频率高功率电子产品的瓶颈是其产生的电磁辐射和热，为了解决此问题，电子产品在设计时将会加入越来越多的电磁屏蔽及导热器件。因此电磁屏蔽和散热材料及器件的作用将愈发重要，未来需求也将持续大幅增长。

5G技术的成熟会推动VR/AR、无人驾驶汽车、智能穿戴等移动终端设备的发展，为电磁屏蔽和导热产品开拓全新的应用领域，同时5G通信基站的建设等，也会成为电磁屏蔽和导热产品新的增长点。

相对于4G手机，5G手机会有明显的升级。首先芯片处理能力大概率会提升到4G的4～5倍，因此耗电量会大幅提升，导致发热量也显著提升；5G手机天线数量会是4G手机的5～10倍，这对电磁屏蔽的要求也更高；5G手机大概率会普及玻璃、陶瓷外壳等新材料，该类材料不会对5G信号产生屏蔽作用，但是散热性比金属差，因此需要更优秀的导热产品。

2 电磁屏蔽和导热界面材料原理

2.1 电子屏蔽原理

电子设备在通电启动之后，其内部的电流产生电磁波，这种电磁波会对周边其他电子设备的信号接收、发送进行干扰，在严重时甚至会中断其他电子设备的工作。

电磁屏蔽产品的理论依据是利用电子屏蔽材料对电磁波进行反射和吸收，这可以阻断电磁波的传播路径从而实现对电磁波的隔离屏蔽：当入射电磁波传播到屏蔽材料表面时，由于空气与屏蔽材料的交界面上阻抗的不连续，入射波会被反射回来。未被反射而进入屏蔽材料体的部分电磁波，在屏蔽材料体内传播过程中，被屏蔽材料进行衰减和吸收。而在屏蔽材料内未衰减掉的少量电磁波，会在传播到材料另一界面时，由于屏蔽材料—空气阻抗不连续的交界面，会被反射回屏蔽体内，进行重新衰减和吸收（见图1）。

针对电子设备的电磁屏蔽主要有2种方式。一种是电子设备的结构本体，通常是由钢板、铝板、铜板或金属镀层、导电涂层等制成。另一种是屏蔽衬垫，是一种具有导电性的电磁屏蔽产品，专门用于解决结构本体缝隙处的电磁屏蔽问题，通常是由金属、塑料、硅胶和布料等材料通过冲压、成型和热处理等工艺方法加工而成。

2.2 导热材料原理

导热材料主要用于解决电子设备的热管理问题。在热力学中，散热就是热量传递，主要有3种热量传递的方式：热传导、热对流和热辐射。根据热量的传递方式，一般散热系统就由风扇、散热片和导热界面器件组成（图2）。

导热界面器件通常是用于填充发热元件与散热元件之间的空气间隙，利用导热界面器件的特性提供导热效率。发热元件与散热元件因为表面不平整，两者之间的有效接触面积不大，其中大部分被充满了空气，散热效率低。采用了导热界面器件后，能有效提高电子设备的工作稳定性和使用寿命。运行中产生的热量将直接影响电子产品的性能和可靠性。试验已经证明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%；温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。随着集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小，其功率密度却快速增加，散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题。导热材料主要是应用于系统热界面之间，通过对粗糙不平的结合表面填充，用导热系数远高于空气的热界面材料替代不传热的空气，使通过热界面的热阻变小，提高半导体组件的散热效率，行业又称“热界面材料”。

3 电磁屏蔽和导热界面材料

3.1 电子屏蔽材料

电磁屏蔽元器件的技术水平和发展路线主要由电子屏蔽材料的发展所主导，电子屏蔽材料的电导率、磁导率及材料厚度是屏蔽效能的3个基本因素。电磁屏蔽材料未来将向屏蔽效能更高、屏蔽频率更宽、综合性能更优良的方向发展，新材料的发现和应用，未来在电磁屏蔽领域的应用也将占有一席之地。随着未来的技术发展，电磁屏蔽材料将往导电性能好、加工工艺简单、性价比高、适合大批量生产等方面发展。而未来越来越多类型的电子设备将被纳入到电磁兼容管理的标准中来，电磁兼容的标准也将愈发的严格，可以预见电磁器件工艺材料的持续升级趋势将是确定性方向下游消费电子产品因为个性化的设计，电磁屏蔽产品多是针对下游电子产品的电子元件分布特点和电磁屏蔽需求，对电磁屏蔽材料进行的二次设计、开发。独特的行业需求，极大地促进了电磁屏蔽与导热产品的应用和创新。因此企业会配置设计中心，根据客户的需求，对其产品进行全面的分析，提供完全个性化的定制电磁屏蔽及导热产品。

目前应用比较广泛的电磁屏蔽材料主要为导电塑料器件、导电硅胶器件、金属屏蔽器件、导电布衬垫器件、吸波器件等。

导电塑料器件主要采用导电填料（如金属纤维、金属化纤维、石墨等）与塑料基材〔如聚碳酸酯（PC）、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）等）〕填充复合而成，具有质量轻，耐候性好，环保并可回收再利用等特点，广泛应用于IT、通讯器件、军工、航天航空等领域中的抗电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）、射频干扰（Radio Frequency Interference，RFI）和静电释放（Electro-Static discharge，ESD）。

导电硅胶是在硅胶基材中添加适量的金属粉末从而使得基材导电。导电硅胶的产品主要用于户外和水下设备，既可作为EMI屏蔽也可以用作环境密封，又能够特别提供加强耐腐蚀和阻燃功能。

金属屏蔽器件适用于存在EMI/ RFI或者ESD問题的广泛的电子设备中。其材料可以选用铍铜、或不锈钢，产品具有良好的弹性，因而具有极好的重复使用性。金属簧片能够适应多种特殊环境，同时能利用不同的镀层实现与其他接触表面的电化学兼容性。

导电布衬垫是一种用于导电屏蔽作用的衬垫材料，通常采用聚氨酯或热塑性橡胶材料作为内层，外层包覆被金属化织物。

吸波器件采用硅胶、氯丁橡胶等材料为基材，纳米材料、平面六角铁氧体、非晶磁性纤维、颗粒膜等高性能吸收剂作为吸收介质，利用新型吸收原理—电磁共振及涡流损耗制备而成，产品具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽、吸收率高等特点。吸波器件主要用于屏蔽外界电磁波、提高雷达精准度、用于微波暗室进行测量、提高设备整体的电磁兼容性、防止电磁辐射或泄露等。

其他一些新机理的屏蔽材料也在探索之中，如发泡金属屏蔽材料、纳米屏蔽材料和本征导电高分子材料，依靠本身良好的导电性达到电磁屏蔽的目的电磁屏蔽产品主要用于通讯行业、消费电子，另外还有汽车电子、医疗、军工和电力等领域。

近来，出现了一种新的屏蔽技术——共形屏蔽。不同于传统的采用金属屏蔽罩的手机EMI屏蔽方式，共形屏蔽技术是将屏蔽层和封装完全融合在一起，模组自身就带有屏蔽功能，芯片贴装在印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）上后，不再需要外加屏蔽罩，不占用额外的设备空间，主要用于PA、WiFi/BT、Memory等 SiP 模组封装上，用来隔离封装内部电路与外部系统之间的干扰。共形屏蔽技术可以解决SiP内部以及周围环境之间的EMI干扰，对封装尺寸和质量轻重几乎没有影响，具有优良的电磁屏蔽性能，可以取代大尺寸的金属屏蔽罩，未来有望随着SiP技术以及设备小型化需求而普及。

未来电磁屏蔽材料发展方向为：金属类的会超薄化；填充类的如导电塑料件、硅胶件会选择更加高效、生产成本低的材料；导电衬垫将采用更薄的原料布和性能更好得泡棉；使用碳素系导电粉的导电涂料等。

根据BCC Research，全球EMI和RFI市场2016年接近60亿美元，到2020年预计将达到79亿美元，复合年均增长率（CAGR）增长5.6%。亚太地区作为全球最大的电子设备和部件生产中心，预计到2020年EMI和RFI市场CAGR为4.8%。

未来无论是5G基站还是5G手机，都会激发电磁屏蔽产品的旺盛增量需求，尤其是紧随5G时代之后的“万物互联”时代，高频率和联网移动终端的密集会使得电磁波辐射成为抑制电子设备产品性能的一道瓶颈。

3.2 导热材料

随着5G时代单一电子设备上集成的功能逐渐增加并且复杂化以及设备本身的体积逐渐缩小，对电子设备的热管理技术提出了更高的要求，如对导热材料的导热系数和长时间工作的导热稳定度要求逐渐提高。这一趋势为导热材料的发展提供了机会。

目前导热材料主要分为导热膏、片状导热间隙填充材料、液态导热间隙填充材料、相变化导热界面材料、导热凝胶和石墨膜等。

3.2.1 导热膏

导热膏是主要以有机硅酮为原料的导热硅脂和其他耐热、导热的材料复合而成的导热型有机硅脂状复合物。导热膏有本身导热率高、胶层厚度薄、附着压力最小、再加工性好等优点。它主要用于功率放大器、电子管、晶体管等电子器件的导热及散热。

3.2.2 片状导热间隙填充材料

片状导热间隙填充材料通常被称为导热硅胶片、导热硅胶垫等，具有优秀的导热能力、绝缘性、柔韧性等，是一款专门利用填补空隙来传递热量的产品，能够完美填充散热件和发热件之间的空隙，提高热传递效率。片状导热间隙填充材料可应用在各种元器件表面与散热器，外壳等之间起导热、绝缘、粘接、防震等作用。该类产品可任意裁切，利于满足自动化生产和产品维护。有些产品通过加玻璃纤维网、表面金属层等方式来增加其机械强度及可操作性，还有导热胶带等具有粘接等附加功能的产品。

3.2.3 液态导热间隙填充材料

液态导热间隙填充材料又称导热胶，是一种就地成形的导热产品，其在固化前有一定的流动性，填充性能好，尤其适合对压力敏感、间隙不好控制或偏差较大、非平行表面等场合。固化后的材料在较低的模量和较好的记忆压缩形变之间达到平衡，易于清理或粘接。常用于汽车电子、通讯设备、计算机和外设中发热半导体和散热器之间的导热应用。

3.2.4 相变化导热界面材料

相变化导热界面材料中的部分基材在受热后会从固态变到液态，使得材料更加贴合发热件表面从而获得更低的热阻来提高热传递效率。相变化导热界面材料在常温下是固体，十分便于大批量生产及管控，对很多表面黏贴封装器件使用非常方便，常用于计算机和外设、高性能计算机处理器、显卡、电源模块等的导热应用。

3.2.5 导热凝胶

导热凝胶（GEL）是一种凝胶状态的导热材料，通过把导热膏里面的硅油铰链到一起，解决了导热膏易于流动及长时间高温工作变干等问题，此产品具有极低的热阻和压缩变形应力，并且此产品在应用时不需要混合、搅拌或任何固化过程，并易于清理及修整。目前GEL已在汽车电子、通讯设备、LED灯具等领域中广泛应用。陶氏化学在 2018年的亚洲消费电子展上，发布了其最新研发的针对于手机电子元件热管理的新型陶熙TC—3105有机硅导热凝胶。该款产品可以涂覆在芯片的封装表面，替代传统的成品散热垫，具有低成本、室温下或电子元件发热时固化从而提高接触面积的特点。各大手机品牌也陆续开始在新机上尝试使用“水冷散热技术”，该技术的原理是在手机中放置铜管，并在铜管中加入导热液体（水或乙二醇），导热液体在吸收核心零部件发出的热量后，逐渐汽化并在铜管内流动，然后流动至低温处实现热传递并凝结回液态。

3.2.6 石墨膜

導热石墨膜是一种碳分子高结晶态组成的全新的高导热散热材料，能沿X、Y两个方向均匀高效导热，且石墨的片层状结构能适应多数表面，因此有着极佳的导热功能。高导热石墨膜平面内具有150～1 700W/（m·K）的超高导热率，具有柔软、易加工的特点，可用于包覆（如有绝缘要求）或非包覆要求场合，亦可以被修边，压制成型或涂覆胶水和塑胶。温度适用范围从极低温到3 000℃惰性环境下，无气体和液体渗透性，石墨层不老化和脆化，适用于大多数化学品介质，广泛应用于智能手机，平板电脑等需要高散热解决方案的电子产品。

石墨是碳质元素结晶矿物，其晶体是六角平面的网状结构。因其特殊的结晶结构，每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键，每个碳原子仍保留1个自由电子。因此石墨晶体能导热、导电，同时具有耐高温、热膨胀系数小的特点。石墨的比热容与铝相当，约为铜的2倍，石墨的热阻却远高于铝，因此石墨可以作为新兴的优秀散热材料，替代传统的铝铜散热器件。

从导热石墨膜的性能差异来看，主要分成单层、多层和复合型导热膜3类。其中单层高导热膜应用范围最广，复合型和多层高导热膜主要是在单层的基础上与铜箔或多层石墨膜复合而成。其中单层导热石墨膜最薄，多层导热石墨膜具备储热功能，复合型导热石墨膜则具备导热、储热、屏蔽辐射的功能，但却需要和金属片等复合而成。

目前导热石墨膜主要分为天然和人工2种类型。由于人工石墨膜具备更加优秀的性能，更低的成本，随着消费电子等产品的高功耗化、内部结构紧凑的大趋势，人工石墨膜的需求空间非常大。

导热石墨膜的散热技术成熟且相对而言成本更低，是目前多数电子设备的首选，但是随着5G时代的到来，电子设备的核心零部件散热需求显著提升，市场急需新工艺、新材料的诞生。随着技术的不断发展，电子产品对热管理方案有着更高的要求，因此对导热石墨膜材料将提出更多新的要求，如厚度更薄、导热性更好，以及可加工为3D结构产品，或与其他材料结合而形成复合多功能材料等。

4 展望

5G未来已来，世界也将因此而大为不同。5G智能手机零部件将迎来新的变革，硬件创新升级对智能手机的电磁屏蔽和导热提出了新的要求，未来电子屏蔽和导热产品也会随着电子设备的更新向着高效、超薄化发展，同时仍将维持电子屏蔽和导热材料多元化的局面。可以预见的是，未来5G电子设备对电子屏蔽和导热产品的需求将会大幅增加，而市场当下迫切需要新一代电子屏蔽和导热产品的工艺升级、材料更新来迎接5G新时代。

参考文献

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