關(guān)鍵詞：5G材料，高導(dǎo)熱絕緣材料，新能源，低介電材料，氮化硼材料

導(dǎo)語(yǔ)：隨著功率器件向微型化、集成化快速發(fā)展，其產(chǎn)生的功率密度隨之顯著增加，對(duì)散熱技術(shù)也提出了更高的要求。熱界面材料用于填充固體界面間的氣體空隙，減小界面接觸熱阻，因而在功率器件熱管理中發(fā)揮著重要的作用。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外熱界面材料的研究進(jìn)展，包括單一基體的熱界面材料、聚合物基復(fù)合熱界面材料和金屬基熱界面材料等，討論了各類界面材料的強(qiáng)化換熱效果及機(jī)理。總結(jié)了熱界面材料發(fā)展過(guò)程中面臨的問(wèn)題，并展望未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：熱界面材料導(dǎo)熱機(jī)理 導(dǎo)熱系數(shù) 熱膨脹系數(shù)

00 引言

隨著第三代半導(dǎo)體和微電子集成技術(shù)的快速發(fā)展，功率器件及其設(shè)備，如相控陣?yán)走_(dá)、大功率 LED、 高性能數(shù)據(jù)中心、智能手機(jī)、醫(yī)療設(shè)備等體現(xiàn)出性 能高、體積小、集成度高的發(fā)展特點(diǎn)。但高密度的封裝使功率器件內(nèi)部熱流密度大幅升高，局部發(fā)熱功率增大，對(duì)器件的性能和壽命造成嚴(yán)重影響， 因而需要通過(guò)散熱器將這部分熱量及時(shí)導(dǎo)出。由于固體表面粗糙度的影響，芯片與散熱器、封裝外殼與散熱器之間會(huì)存在大量充滿空氣的間隙，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)只有 0.01～0.04 W·m?1·K?1，大大降低了導(dǎo)熱效率，因此需要填充具有高熱導(dǎo)率的熱界面材料來(lái)構(gòu)造有效的導(dǎo)熱通路。

本文通過(guò)綜述熱界面材料的研究現(xiàn)狀，分析不同種類熱界面材料的導(dǎo)熱機(jī)理和影響因素，最后展望熱界面材料未來(lái)的發(fā)展方向。

01 引言

功率芯片的散熱方式分為直接式和間接式， 如圖 1 所示。直接式是通過(guò)熱沉直接將芯片所產(chǎn)生的熱量與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換；間接式先將芯片的熱量傳遞到封裝外殼，由外殼將熱量傳遞至熱沉，再與外界進(jìn)行熱量交換。在功率器件與散熱器直接接觸時(shí)，由于固體表面不是絕對(duì)光滑的，二者的實(shí)際接觸面積僅為表觀接觸面積的 1%～2%，界面之間存在大量的間隙，而這些間隙會(huì)被導(dǎo)熱率極低的空氣填充，增加了界面熱阻。

圖 1 芯片的兩種散熱方式 (箭頭為主要熱流方向)

熱界面材料 (Thermal Interface Materials, TIM) 是一種用于填充固體材料間氣體空隙的材料，如圖 2 所 示，可以提高界面導(dǎo)熱系數(shù)，優(yōu)化功率器件熱管理性能， 從而提升功率器件可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。

圖 2 熱界面材料的熱阻示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，熱界面材料的潤(rùn)濕性有限，無(wú)法完全填充界面處的空隙，故熱界面材料的總熱阻 RTIM 由三部分組成，分別是熱界面材料的熱阻 Rbulk，熱界面材料與封裝熱源的接觸熱阻 Rc1和熱 界面材料與熱沉的接觸熱阻 Rc2，如式 (1-1) 所示：

熱界面材料的熱阻 Rbulk如式 (1-2) 所示：

式中，δ 為材料的厚度。

隨著熱界面材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，材料種類也在不斷增加，常見(jiàn)材料有導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱相變材料、導(dǎo)熱膠、液態(tài)金屬等。其中，以聚合物為基底的復(fù)合熱界面材料在市場(chǎng)中占比接近 90%，新興的液態(tài)金屬材料雖然占比較少，但其份 額正在逐漸擴(kuò)大。楊斌等對(duì)熱界面材料產(chǎn)量及市場(chǎng)份額、主要應(yīng)用領(lǐng)域的需求量及其在通信等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析和總結(jié)，并提出發(fā)展對(duì)策。表 1 總結(jié)了常見(jiàn)熱界面材料的特點(diǎn)和導(dǎo)熱性能。

表 1 常見(jiàn)熱界面材料的導(dǎo)熱性能

02 引言

熱界面材料用于填充在發(fā)熱器件和散熱器件之間，降低二者的接觸熱阻。理想的熱界面材料應(yīng)該具有導(dǎo)熱率高、柔韌性好、絕緣性好、便于安裝、與基體材料熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)等特點(diǎn)。本節(jié)從單一類型的材料、聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料三種類型的熱界面材料進(jìn)行介紹。

2.1

單一類型熱界面材料

2.1.1 單一聚合物材料

聚合物分子、原子間通過(guò)晶格振動(dòng)來(lái)傳遞能量， 這種能量被量化為聲子，通常非結(jié)晶聚合物在常溫?zé)o外力情況下的結(jié)構(gòu)規(guī)整性差，內(nèi)部無(wú)有效的導(dǎo)熱通路，易發(fā)生聲子散射，因而單一聚合物材料導(dǎo)熱率 較低，一般為 0.1～0.5 W·m?1·K?1。吳遵紅等采用 3ω 方法搭建了熱導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試了不同溫度下 PI 膜的熱導(dǎo)率。他們測(cè)得薄膜在室溫下的熱導(dǎo)率為 0.212 W·m?1·K?1，且薄膜熱導(dǎo)率隨著溫度升高而降低，與文獻(xiàn)中的結(jié)果接近。Smith等人利用氧化氣相沉積法制備了納米級(jí)的聚 (3,4- 亞乙基二氧噻吩)(PEDOT) 薄膜。對(duì)于厚度范圍為 50-100 nm 的 PEDOT 薄膜，在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到 0.16 W·m?1·K?1，電導(dǎo)率從 1 S/cm 變化到 30 S/cm。驗(yàn)證了該材料中，聲子導(dǎo)熱占主導(dǎo)地位，而電子對(duì)導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)非常小。常用單一聚合物的物性參數(shù)如表 2。

表 2 常用單一聚合物導(dǎo)熱材料的物性參數(shù)

2.1.2 金屬材料

金屬材料中含有大量的自由電子，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。常見(jiàn)的金屬及合金材料如銅、鋁、Invar 合金、Kovar 合金等易于加工，被最早應(yīng)用于低功率器件的熱管理中，常用金屬的物性參數(shù)如表 3。由于純金屬的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion, CTE) 較大，如銅 17×10?6K?1；合金如 Invar 合金，雖然具有優(yōu)異的熱膨脹系數(shù)，在常溫下能達(dá) 到 1.6×10?6K?1，但其導(dǎo)熱系數(shù)為 15 W·m?1·K?1， 無(wú)法滿足高功率器件的散熱要求。張昕等以銅粉及銀 (Invar) 復(fù)合粉體為原料制備了 Cu/Ag(Invar) 復(fù)合材料。經(jīng)過(guò) 775?C 燒結(jié)的 40 Cu/Ag(Invar) 復(fù)合材料，熱膨脹系數(shù)為 10.68×10?6K?1，熱導(dǎo)率41.63 W·m?1·K?1。向單一類型材料中加入填料顆粒，使得各材料組分在性能上相互補(bǔ)充，得到性能更均衡的熱界面材料成為新的研究方向。

表 3 常用金屬材料的物性參數(shù)

2.2

單一類型熱界面材料

封裝樹(shù)脂以其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為微電子封裝材料的主流。為了滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代微電子封裝要求，需要向封裝樹(shù)脂中加入導(dǎo)熱填料來(lái)提高其綜合性能。向聚合物中填充導(dǎo)熱顆粒，形成鏈狀或者網(wǎng)狀導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，為電子和聲子傳遞能量提供通道，進(jìn)而提高材料的導(dǎo)熱率。如圖 3(a) 所示，當(dāng)基體當(dāng)中填料填充率低，就無(wú)法形成有效的導(dǎo)熱通路。當(dāng)繼續(xù)增加填料占比，就會(huì)形成如圖 3(b) 所示的鏈狀或網(wǎng)狀通路結(jié)構(gòu)，從而提高熱導(dǎo)率。面對(duì)填充率較低的情況下，可以通過(guò)補(bǔ)充高縱橫比顆粒增強(qiáng)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，如圖 3(c) 所示。同樣，通過(guò)填充不同尺寸顆粒也可以更有效 形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，如圖 3(d) 所示。

圖 3 導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成示意圖

上海交通大學(xué)的宋成軼課題組總結(jié)了電聲耦合機(jī)制在金屬–金屬界面、金屬–非金屬界面對(duì)微觀導(dǎo)熱率的影響。電子–聲子耦合是指在金屬材料內(nèi)部，晶格振動(dòng)會(huì)使材料局部產(chǎn)生極性，從而對(duì)自由電子的移動(dòng)產(chǎn)生影響，產(chǎn)生電子–聲子相互作用，即弗羅里奇相互作用。這種影響也會(huì)發(fā)生在金屬–非金屬材料的界面處，在金屬與無(wú)機(jī)非金屬界面，弗羅里奇相互作用下的聲子散射是電聲耦合的主要驅(qū)動(dòng)力。與此同時(shí)，聲子之間也會(huì)交換能量，改變?cè)械恼駝?dòng)方向，發(fā)生散射，即所謂的聲子–聲子耦合作用。復(fù)合物內(nèi)部電聲耦合效應(yīng)以及界面上聲子散射增加，是導(dǎo)致復(fù)合物導(dǎo)熱性能降低的主要原因。圖 4 闡釋了在金屬–非金屬界面上聲子–聲子耦合導(dǎo)熱通道 (Q1)、電子–聲子耦合導(dǎo)熱通道 (Q2)以及金屬內(nèi)部電子–聲子耦合，然后在界面與非金 屬聲子耦合導(dǎo)熱通道 (Q3) 的作用機(jī)制。

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圖 4 熱傳導(dǎo)通道示意圖

2.2.1 金屬顆粒

金屬由于采用電子作為熱載體，具有很高的金屬由于采用電子作為熱載體，具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)。常用的導(dǎo)熱金屬顆粒有銀、銅、鋁、鐵等。表 4 列舉了不同金屬填料對(duì)于聚合物基體導(dǎo)熱性能的影響。

表 4 不同金屬填料對(duì)于聚合物基體導(dǎo)熱性能的影響

2.2.2無(wú)機(jī)非金屬導(dǎo)熱顆粒

通常金屬 (如 Ag、Cu、Al 等) 導(dǎo)熱系數(shù)較高，但絕緣性差，而部分無(wú)機(jī)非金屬材料，如金屬氧化物、金屬氮化物以及 SiC 陶瓷等既具有高導(dǎo)熱性，同時(shí)也具有優(yōu)良的絕緣性、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等，因此被廣泛用于微電子領(lǐng)域的高效散熱材料中。氮化鋁和氮化硼的熱導(dǎo)率很高，分別為170 和 300 W·m?1·K?1，但是生產(chǎn)成本過(guò)于昂貴，所以在針對(duì)不同的電子器件散熱要求時(shí)，所選用的填料也有相應(yīng)的差別。表 5 針對(duì)聚合物基體復(fù)合陶瓷填料的界面材料進(jìn)行整理。

表 5 近年聚合物基陶瓷填料的研究進(jìn)展

面對(duì)陶瓷填料對(duì)導(dǎo)熱性能不高的問(wèn)題，可以從以下三個(gè)方向著手解決：1) 改變材料的生長(zhǎng)取向

Zeng 等利用冰模板法進(jìn)行三維氮化硼支架的制備，可以觀察到氮化硼在橫向和縱向都形成了很清晰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后將氮化硼支架浸入在環(huán)氧樹(shù)脂中形成導(dǎo)熱復(fù)合材料，在φ(BN)=9.29% 時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率達(dá)到 2.85 W·m?1·K?1。虞錦洪等在抽濾石墨烯納米片過(guò)程中引入球形氧化鋁構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，如圖 5 所示，制備的環(huán)氧復(fù)合材料在面外和面內(nèi)方向上的導(dǎo)熱系數(shù)分別達(dá)到 13.3 W·m?1·K?1和 33.4 W·m?1·K?1。Kim 等通過(guò)磁對(duì)準(zhǔn)制造了導(dǎo)熱的 BN/SiC二元填料和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。填料表面的磁性氧化鐵顆粒允許顆粒在外部磁場(chǎng)下重新定向。由于其各向異性，垂直排列的 BN 復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱性并產(chǎn)生垂直熱流路徑。當(dāng)將 SiC 納米顆粒加入二元填料中時(shí)，它們阻礙了 BN 顆粒的聚集并導(dǎo)致形成三維熱傳導(dǎo)路徑，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率增加。對(duì)于固定體積分?jǐn)?shù)為 0.2 的填料，合成的垂直排列復(fù)合材料的熱導(dǎo)率從 0.945 W·m?1·K?1增加到 1.681 W·m?1 ·K?1，與隨機(jī)分散的填料復(fù)合材料相比增加了 1.78 倍。對(duì)于由 BN-Fe3O4 和 SiC組成的復(fù)合材料，在φ(SiC)=0.15 的含量下獲得最大的熱導(dǎo)率。相對(duì)于 BN-Fe3O4/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，φ(SiC)=0.15 產(chǎn)生了最高的增強(qiáng)率 (13%)。

圖 5 二元氧化鋁-石墨烯“豌豆莢”結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

2) 粒徑復(fù)配減小填料與基體接觸面積

Gao 等研究發(fā)現(xiàn)，采用同一形狀但不同顆粒半徑的填料進(jìn)行組合，可以在較低填充率的情況下獲得更有效的導(dǎo)熱通道，進(jìn)而提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。如圖 6 所示，Al2O3/AlN 復(fù)合材料中，由于AlN 納米顆粒填充在較小半徑 Al2O3的空隙中，使得導(dǎo)熱通道更加緊湊。結(jié)果，熱能在相鄰的 Al2O3顆粒間的轉(zhuǎn)移變得容易，從而增強(qiáng)導(dǎo)熱性能。Yu等通過(guò)在硅基中混合石墨烯和 Al2O3顆粒制備新型導(dǎo)熱硅脂，發(fā)現(xiàn)混合尺寸氧化鋁填料的使用可以在有機(jī)硅基質(zhì)中堆積更加緊密，并有效防止石墨烯聚集。更重要的是，具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的二維石墨烯可以橋接氧化鋁顆粒，為導(dǎo)熱油脂中的聲子傳輸提供更快、更有效的途徑，如圖 7 所示。他們制備的新型導(dǎo)熱硅脂的最大導(dǎo)熱系數(shù)為 3.45 W·m?1·K?1，與不含石墨烯的導(dǎo)熱硅脂相比有顯著提高。同時(shí)，相對(duì)于有機(jī)硅基底，熱導(dǎo)率提高了 2553%。Li 等發(fā)現(xiàn)含有微米和納米尺寸 BN 填料的混合填料的聚酰亞胺復(fù)合材料具有增強(qiáng)的熱導(dǎo)率。當(dāng) BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)足以形成導(dǎo)熱路徑以消散產(chǎn)生的熱量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。由質(zhì)量比為 7 : 3 的微米和納米尺寸BN 組成的聚酰亞胺復(fù)合材料，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%時(shí)，復(fù)合材料導(dǎo)熱率達(dá)到 1.4 W·m?1·K?1。

圖 6 純環(huán)氧樹(shù)脂和具有不同填料的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的熱流模型

圖 7 氧化鋁顆粒復(fù)配示意圖 [53]：(a) 大氧化鋁顆粒、(b) 混合

尺寸氧化鋁顆粒、(c) 片狀石墨烯和 (d) 氧化鋁和石墨烯混合填料

在硅酮基中的分布示意圖

3) 表面改性提升填料與基體界面相容性

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的范琳課題組總結(jié)了聚酰亞胺基體中，氮化硼填料表面的修飾方法。Guerra V 等研究展示了以 BN 為代表填料的表面功能化方法，如圖 8 所示。通過(guò)非共價(jià)功能化和共價(jià)功能化兩種方法對(duì)導(dǎo)熱填料進(jìn)行表面修飾。非共價(jià)功能化法主要通過(guò) π ? π 鍵相互作用，在填料表面通過(guò)物理吸附氣體聚合物進(jìn)行修修飾改性；共價(jià)功能化法則通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在 BN 表面連接如羥基、氨基或者化合物如硅烷化合物等官能團(tuán)。安東采用蔗糖和硅烷偶聯(lián)劑 KH590 對(duì) BN 進(jìn)行巰基化處理，并利用冰模板法制備了具有三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的天然橡膠復(fù)合材料，所得 BN-SH 導(dǎo)熱填料間的界面熱阻為 5.5×106 K·W?1，與基體間的界面熱阻為 1.5×10?5m2·K·W?1。他還采用尿素制備氨基功能化的 BN，通過(guò)真空抽濾制備三維層狀結(jié)構(gòu)的 BN/CNTs/NR 復(fù)合材料，導(dǎo)熱率達(dá)到1.34 W·m?1·K?1。北京理工大學(xué)的陳德家等 [8] 對(duì)金屬碳化物進(jìn)行刻蝕，使其表面生成極性官能團(tuán)，制備了 Ti3C2Tx 型 MXene 填料，提高了硅橡膠基體的導(dǎo)熱性、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和絕緣性。他們還用聚硅氧烷對(duì)石墨烯進(jìn)行改性，制備了與硅橡膠基體相容性更好的 GO-Si，使復(fù)合材料的導(dǎo)熱率達(dá)到 1.1 W·m?1·K?1。Xu 等 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，AlN 顆粒的表面處理有助于減小與基體的界面熱阻，將 AlN 顆粒環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高 97%。在由 Z-6020 處理的ω(AlN)=0.6 下，熱導(dǎo)率為 11.0 W·m?1·K?1。

圖 8 以 BNNS 為代表的導(dǎo)熱填料表面修飾方法

2.2.3 碳材料

碳材料兼具高導(dǎo)熱性和輕質(zhì)性。石墨、碳纖維是眾所周知的傳統(tǒng)碳填料。石墨通常被認(rèn)為是最好的導(dǎo)電填料，因?yàn)樗哂辛己玫膶?dǎo)熱性、低成本和在聚合物基體中的良好分散性。表 6 展示碳納米管對(duì)于基體導(dǎo)熱性能的影響。由表 6 對(duì)比可知基體可以提高界面材料柔韌性，但是會(huì)破壞 CNT垂直陣列的順排度和增加界面聲子散射，從而使本征熱導(dǎo)率降低。

表 6 碳納米管對(duì)于基體導(dǎo)熱性能的影響

構(gòu)成石墨的單個(gè)石墨烯展現(xiàn) 800 W·m?1·K?1或更高的固有高熱導(dǎo)率 (理論上高達(dá) 5300 W·m?1·K?1)，其橫向取向性好的特點(diǎn)利于與導(dǎo)熱顆粒構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)科學(xué)院寧波材料所將納米二氧化硅顆粒 (SiO2NPs) 修飾氧化石墨烯 (GO) 和石墨烯粉末混合，抽濾得到具備碳化硅–石墨烯復(fù)式結(jié)構(gòu)的石墨烯紙 (Graphene hybrid paper, GHP)。碳化硅納米線在石墨烯層間形成了縱向的導(dǎo)熱通路，使得復(fù)合材料的縱向熱導(dǎo)率達(dá)到 10.9 W·m?1·K?1，相對(duì)于石墨烯紙 [GP,6.8 W·m?1·K?1] 提高了 60%。中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 利用氮化硼 (BN) 和 GO制備了一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氮化硼/石墨烯(BN/GS) 復(fù)合填料。環(huán)氧樹(shù)脂 (EP) 基體中填料量達(dá)φ(BN/GS)=0.3 時(shí)，BN/GS/EP 的熱導(dǎo)率達(dá)到 5.5 W·m?1·K?1，是 EP 的熱導(dǎo)率的 5.38 倍。

2.3

金屬基復(fù)合材料

聚合物基熱界面材料在封裝器件的散熱中密封性好，導(dǎo)熱系數(shù)能達(dá)到 5 W·m?1·K?1，已經(jīng)能滿足電子、能源的行業(yè)的要求，但在高功率器件散熱，如航天航空、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)難以得到廣泛的應(yīng)用 。金屬材料的導(dǎo)熱率較高，向金屬基體中加入增強(qiáng)相，可以在得到高導(dǎo)熱系數(shù)材料的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其熱膨脹系數(shù)可調(diào)，與電子器件匹配性更好。

2.3.1常見(jiàn)金屬

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主要研究的熱管理金屬基復(fù)合材料根據(jù)基體類型可以分為鋁基和銅基兩種。對(duì)于鋁基復(fù)合材料，Al 和增強(qiáng)相碳材料晶間易形成不穩(wěn)定的碳化物 Al4C3，導(dǎo)致材料的界面熱阻增加、熱穩(wěn)定性降低。Chang 等制備了逐層的石墨膜/鋁層復(fù)合材料，阻礙了界面反應(yīng)物的產(chǎn)生，導(dǎo)熱率達(dá)到 743 W·m?1·K?1。銅基復(fù)合材料的基體本身熱導(dǎo)率高達(dá) 400 W·m?1·K?1，結(jié)合性能更優(yōu)的增強(qiáng)相，比如碳納米管、石墨烯、金剛石等，可得到高熱導(dǎo)率、低 CTE 的復(fù)合材料。金屬基熱界面材料研究進(jìn)展如表 7 所示。

表 7 金屬基熱界面材料研究進(jìn)展

2.3.2 液態(tài)金屬

液態(tài)金屬是解決高功率器件的導(dǎo)熱散熱問(wèn)題的新型導(dǎo)熱界面材料，可以在微小尺度的器件內(nèi)代替導(dǎo)熱硅脂增加導(dǎo)熱性能。Hamdan 等的研究介紹了汞微滴熱界面材料的制備，測(cè)試了兩種陣列大小，40×40 和 20×20 陣列，樣品汞陣列如圖 9 所示。測(cè)量汞陣列的最小界面熱阻為 0.253 mm2·K·W?1，相對(duì)于傳統(tǒng)熱界面材料降低了 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖 9 樣品汞陣列

液態(tài)金屬鎵無(wú)毒，熔點(diǎn) 29.8?C，沸點(diǎn) 2204?C。液態(tài)鎵凝固時(shí)過(guò)冷度大，在 0 ?C 長(zhǎng)時(shí)間保持液態(tài)而不固化。在常溫干燥空氣中，表面生成致密氧化膜，阻止進(jìn)一步氧化。室溫下，導(dǎo)熱系數(shù)約為30 W·m?1·K?1，主要依靠自由電子傳導(dǎo)熱量，固液相變時(shí)導(dǎo)熱性能變化不明顯。不同因素對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)并不相同。位松通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)金屬/改性金剛石的界面熱導(dǎo)較低時(shí)，液態(tài)金屬/金剛石連續(xù)相結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的變化對(duì)液態(tài)金屬熱導(dǎo)率的變化較為敏感，而對(duì)金剛石熱導(dǎo)率的變化相對(duì)不太敏感，可見(jiàn)增加界面熱導(dǎo)對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提升效果非常顯著。表 8 列出了近年來(lái)鎵基熱界面材料的研究進(jìn)展。

表 8 鎵基熱界面材料研究進(jìn)展

03 引言

本文通過(guò)對(duì)單一類型的材料、聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料三種類型的熱界面材料進(jìn)行綜述，圖 10 匯總了熱界面材料熱導(dǎo)率，獲得的結(jié)論如下。

圖 10 熱界面材料導(dǎo)熱率

對(duì)于聚合物基復(fù)合材料：1) 金屬填料具有熱阻低、對(duì)光反射率強(qiáng)、機(jī)械性能好和熱穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。但金屬顆粒易氧化、金屬與聚合物界面熱阻高，需要對(duì)金屬顆粒進(jìn)行表面修飾；2) 陶瓷填料絕緣性好，但導(dǎo)熱性能較差，需要研制導(dǎo)熱系數(shù)更高的復(fù)合材料，提高填料與基體的相容性，同時(shí)需要考慮材料的熱膨脹系數(shù)；3) 碳納米管作為界面材料導(dǎo)熱性好，但柔韌性差，且需要降低與基體間的界面熱阻；石墨烯面內(nèi)導(dǎo)熱性能好，但其三維框架難以制備，需要與其他導(dǎo)熱顆粒構(gòu)造導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于金屬基復(fù)合材料：1) 金屬材料優(yōu)異的導(dǎo)熱性能為其作為熱界面材料基體提供了基礎(chǔ)，但需要調(diào)節(jié)材料的熱膨脹系數(shù)來(lái)更好的適應(yīng)基體材料；2) 液態(tài)金屬作為熱界面材料具有更好的芯片潤(rùn)濕性、界面的熱阻低等優(yōu)點(diǎn)，但是如何防止液體金屬的外溢是此類研究的難題。

來(lái)源：工程熱物理學(xué)報(bào)

作者：王瑾玉1張永海1魏進(jìn)家1,2

1. 西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院

2. 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室