导热材料传热机理：从原子电子运动到宏观热传导

散热是功率半导体设计的核心内容，高效的散热结构设计与散热材料选择，直接关系产品竞争力。

从原子与电子层面，解析功率半导体中热的本质。分析后会发现，除材料本身性能外，“接合” 环节同样起着关键作用。

常见功率模组的结构如下：芯片工作时产生大量热量，热量依次通过烧结银、DBC 基板传递至底板，再经导热硅脂传导至散热器。散热路径上的每种材料，都会直接影响整体散热效果。而各类材料的市场选择极为丰富，若逐一通过实验验证，效率会非常低下。

传热的本质

金属里有 “自由电子” 这个 “传热小快递”，能带着热量快速跑；

非金属没有 “小快递”，只能靠原子们 “原地互相推搡” 传递热量，自然慢很多。这也是为啥金属导热一般比非金属快的原因。

1. 金属的热传导

金属原子排列整齐，形成规则的金属晶体。

原子最外层的电子不被单个原子束缚，变成 “自由电子”，在原子间隙中自由移动。

热量本质是粒子的热运动，当金属一端受热，自由电子会快速吸收能量，带着能量在原子间高速穿梭，还会碰撞其他电子和原子，把热量迅速传递到另一端。

2. 非金属的热传导（原子层面）

非金属（比如陶瓷、塑料、导热垫片）的原子或分子，要么靠共价键、离子键牢牢结合，要么是分子晶体靠弱作用力聚集。

它们没有自由电子，原子 / 分子被固定在晶格节点上，只能在原地振动，不能自由移动。

受热后，一端的原子 / 分子振动加剧，会通过化学键或分子间作用力 “推撞” 相邻的原子 / 分子，像多米诺骨牌一样传递振动能量（这种能量传递形式叫 “晶格波” 或 “声子”），热量就这样慢慢扩散。

二维材料—石墨烯

石墨烯的原子级传热，靠 “晶格振动（声子）主导 + 二维结构加持”，让热量沿平面方向极速传递，比多数金属和非金属都快。

1.石墨烯的原子结构基础

石墨烯是单层碳原子组成的二维平面结构，碳原子按正六边形（蜂窝状）整齐排列。

每个碳原子都和相邻 3 个碳原子形成牢固的共价键，整个平面就是一个巨大的 “共价键网络”，没有自由电子（和金属不同）。

2. 原子层面的传热原理

传热载体是 “声子”：和非金属一样，石墨烯没有自由电子，热量靠原子振动传递。原子振动的能量会以 “晶格波” 的形式扩散，这种能量载体就叫 “声子”。

二维结构让声子 “跑得又快又远”：

碳原子排列极规整，共价键网络连贯，声子传递时几乎不会被 “杂质” 或 “结构缺陷” 阻挡（散射少）。

仅单层原子的二维结构，限制了声子向 “上下方向” 扩散，只能沿平面快速传播，能量集中不分散。

共价键的特性：碳原子间的共价键强度极高，原子振动时能量传递效率高，不会轻易损耗，进一步提升传热速度。