汽车ADAS和数据中心令高性能TIM抓狂

但凡电子产品，有发热温升，就都离不开一种“间质”——导热界面材料（TIM，Thermal Interface Material）。它是一种用于改善两个表面之间热传递的材料，这些表面通常是热源（如计算机处理器）和散热器（如金属散热器或其他冷却系统）。使用TIM的目的是填充两个表面之间的小间隙和缺陷，以降低热阻并提高传热效率。

TIM有多种形式和热导率，包括糊状物、衬垫、液体、薄膜和许多其他形式。其典型产品包括间隙垫、导热脂、导热粘合剂（TCA）和相变材料。TIM通常由聚合物基质中的高导电性填料组成。一些常见的基质包括硅酮、聚氨酯、丙烯酸等。每种类型的TIM都有其自身的优点和缺点，对于特定应用的最佳选择取决于成本、导热性、易用性和耐用性等因素。

TIM已被广泛应用于许多行业，如消费电子产品（如智能手机、平板电脑和笔记本电脑）、电动汽车（EV）、数据中心、5G基础设施和高级驾驶员辅助系统（ADAS）、EMI屏蔽等。随着所有这些新兴技术和快速增长的市场，预计在未来10年内TIM市场复合年增长率将达到21%。

然而，随着这些领域的快速发展和功率密度的增加，TIM在平衡成本、导热性和其他物理财产方面面临着更大的挑战。与此同时，目标应用中存在关键的设计转变，例如电动汽车电池变得更加集成，或数据中心趋向于更高的功率，诸如此类的趋势预计将推动TIM市场的革命。TIM也将影响这些新兴产业的需求格局。

TIM的几大目标应用

当前，快速增长行业的TIM典型应用包括电动汽车电池和ADAS电子产品（如激光雷达、相机等），也包括数据中心等领域。

电动汽车电池

电动汽车电池是目前TIM的最大目标应用。随着电动汽车的日益普及，市场需求一直在快速增长，预计这一趋势将在未来十年持续下去。电池技术作为电动汽车的核心技术之一也在迅速发生变化。随着对长续航里程需求的不断增加，出现了能量密度更高、重量减轻、充电更快和更加安全的趋势，所有这些都需要有效的热管理和材料来支持。在电动汽车电池中，TIM的选择在很大程度上取决于电池格式、热管理策略和电池组设计。

TIM形式的市场规模变化

电动汽车的TIM的形式可以分成间隙垫、间隙填充物和导热粘合剂。随着电动汽车电池从模块化设计过渡到电池组设计，TCA（导热粘合剂）的增长速度将比其他电池更快。

模块化电池组中TIM的典型使用方法是，在模块内的电池下方使用分配的间隙填充物，以使热量能够传递到模块外壳，然后在模块下方使用另一个间隙填充物与外壳/冷却板接触。在软包电池设计中，电池需要直接连接到冷板/外壳，因此要使用TCA。这就需要更高的粘合强度，还要考虑其他因素。

模块化电池组与软包电池设计

自电动汽车TIM问世以来，TIM价格已经大幅下降。早在2019年，一些供应商就表示，将缺口填充物的目标定为每公斤10美元是不现实的。然而，在2022年，供应商的价格已低于该数字，有些供应商的价格甚至已低至3美元/公斤。这些产品包括纯电动汽车和PHEV汽车、面包车、卡车、公交车和两轮车。

ADAS应用

最近，ADAS的采用势头强劲。它需要一套电子包括雷达、激光雷达、摄像头和电子控制单元（ECU）的设备。所有这些部件都会产生大量的热量，因此需要有效的热传递。TIM在不同组件中的应用范围可能有所不同。例如，TIM通常用在雷达中的电子设备及其外壳之间，但对于激光雷达，TIM同时用于PCB和激光二极管。

随着对自动驾驶部署量越来越大，高级驾驶辅助系统（ADAS）越来越受欢迎。在ADAS中，传感器、摄像头和处理器等各种电子组件用于收集和处理数据，并做出决策。这些部件在运行过程中会产生热量，随着设计的不断致密化，散热将成为一个更大的挑战。如果热量管理不当，可能会对零部件造成损坏，从而影响传感器的性能。

ADAS中使用的典型传感器

ADAS传感器中TIM的选择可能会因其类型、位置和装置的整体设计而有很大差异。由于ADAS传感器通常是大批量生产的，因此间隙填充物或热润滑脂通常是最佳选择，因为这有助于自动化应用和组装。正如预期的那样，TIM的热导率与ADAS组件的功率高度相关。在许多情况下，图像质量更高、ECU/芯片处理能力更强以及激光驱动器中越来越多地采用氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）的趋势推动了热导率/高性能TIM的增长。

现在和未来TIM在不同ADAS组件中的热导率

IDTechEx预计，对于每种类型的ADAS组件热导率要求会增加，因此每个应用中使用的TIM的价格会上涨。在大多数情况下，摄像头不需要更高性能的TIM，而激光雷达的预测量较小，但性能越高的TIM的市场价值就越大。总的来说，预计到2033年，ADAS传感器和ECU的TIM市场将达到6亿美元。

汽车ADAS传感器TIM预测

数据中心

与ADAS类似，数据中心的TIM也出现了类似的趋势。在过去十年里，GPU的热设计功率（TDP）稳步增长，随着人工智能芯片、云计算、区块链和加密挖矿的日益普及，芯片和数据中心的功率密度将快速增长，导致了数据中心中使用的高性能TIM的几个趋势。

一是高导热性：导热性大于5W/mK的TIM是高性能应用的首选。二是兼容性和稳定性：许多服务器板已经开始采用冷板；因此，TIM必须在高温、高湿等恶劣条件下稳定耐用。优选能够承受高达200°C的温度并具有较长保质期的TIM。三是易于应用：与ADAS传感器类似，服务器通常是大批量生产的。TIM应易于应用或自动化，因此，通常使用油脂和间隙填充物TIM。

2005-2035年GPU的热设计功率（TDP）

随着数据中心变得更加强大和密集，这些组件的散热挑战迅速增加。如果散热不当，可能会导致性能下降、寿命缩短，甚至硬件故障，从而引发重大技术问题。

数据中心单位TIM价格趋势

总之，对于数据中心和ADAS，IDTechEx认为，高性能TIM有望越来越多地被用于处理快速增长的功率密度。高性能TIM也意味着高单价，从而推动总收入的快速增长。IDTechEx预测，从2020年到2033年，ADAS和数据中心的TIM收入将增长15倍。未来10年，导热界面材料市场的复合年增长率将达到21%。

分析表明，数据中心中使用的大多数TIM的热导率都小于8，尽管有一些热导率高于20W/mK的高性能导热界面材料，但由于成本障碍，它们不会在中短期（10年）内被广泛采用。然而，值得注意的是，在许多情况下，导电率仍呈上升趋势。

电磁干扰（EMI）屏蔽和5G

从ADAS雷达、5G天线到智能手机，EMI屏蔽在许多行业都发挥着关键作用。5G是其中一个令人兴奋的领域。与4G相比，5G使用更高的频率和更短的波长。频率的增加缩小了天线和相关电子设备的尺寸，从而带来了更大的散热挑战。

除此之外，由于固有的短传输长度，大量5G基站需要在本地部署。5G带来了更多的EMI挑战，因为EMI缓解措施的有效性随着频率的升高而下降，因为较小的波长允许能量通过屏蔽层的间隙逸出。

为了缓解这一问题，需要既能提供EMI屏蔽又能提供高热导率的EMI TIM。与传统的板级屏蔽（BLS）不同，其蔽内外都有一层TIM，可以直接在芯片上使用单层TIM和EMI吸收器与散热器接触，这不仅提高了整体热性能，还降低了制造复杂性。

直接施加在集成电路上的EMI TIM示意图

5G基础设施密度和功耗需求的增加加上技术转型，为TIM带来了巨大的市场。许多其他快速增长领域的TIM市场，包括智能手机、平板电脑和笔记本电脑。根据碳基填料（如石墨烯、石墨、碳纳米管等）和金属基填料（如镓、铟等）划分，不同高性能TIM有不同的热导率和价格。而大多数商业产品的热导率低于10W/mK，而一些较新的市场可能需要更高性能的TIM。智能手机组件的散热增加了热材料使用率，与4G手机相比，5G智能手机在各个方面都需要更多的热材料。

综上所述，预计到2033年，TIM的年收入将超过70亿美元，与2020年相比，复合年增长率（CAGR）为9.2%。在所有的应用中，电动汽车和ADAS都在快速增长。这主要是由自动驾驶、电动汽车的采用以及对电动汽车电池日益增长的需求推动的。另一方面，消费电子产品的增长相对缓慢，因为消费电子产品出货量已经饱和，预计未来十年不会有任何显著增长。同时，不考虑通货膨胀因素，石墨片的价格不太可能随着时间的推移而大幅上涨或波动。