隨著高功率電子設(shè)備和高度集成的半導(dǎo)體芯片的快速發(fā)展，電子元件的功率密度急劇上升，由此產(chǎn)生的熱管理挑戰(zhàn)對電子設(shè)備的正常運行產(chǎn)生了重大影響，甚至可能縮短其使用壽命。為了解決這些散熱問題，高性能的導(dǎo)熱界面材料（TIMs）在熱管理中至關(guān)重要。傳統(tǒng)的TIMs通常由填充有高導(dǎo)熱性微粒的聚合物基體組成。

       然而，聚合物基體的固有熱導(dǎo)率非常低，從而限制了在高熱通量應(yīng)用中的效果。因此，開發(fā)高性能的TIMs已成為迫切需求。與傳統(tǒng)的基于聚合物的TIMs（<0.2W/mK）相比，鎵基液態(tài)金屬（15-39W/mK）的熱導(dǎo)率明顯更高，這使它們成為下一代TIMs的有希望的候選者。然而，液態(tài)金屬在實際封裝應(yīng)用中存在泄漏風(fēng)險，為電子設(shè)備表面的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

       近日，中國科學(xué)院寧波材料所林正得、薛晨團隊聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)胡曉君團隊，通過機械混合EGaInSn與表面金屬化的金剛石微粒（涂有Cr/Cu雙層）制備了液態(tài)金屬復(fù)合材料。團隊首先在金剛石微粒表面涂覆一層薄薄的鉻層，然后通過磁控濺射結(jié)合流化床技術(shù)，在其外部包覆一層銅，形成表面金屬化的金剛石顆粒（SMDP）。通過機械混合EGaInSn與表面金屬化的金剛石微粒（涂有Cr/Cu雙層）制備了液態(tài)金屬復(fù)合材料，并且還檢查了兩種不同粒徑組成的效應(yīng)。在金剛石含量為50vol%（小/大顆粒：10/40vol%）的情況下，金剛石/液態(tài)金屬TIMs的熱導(dǎo)率為117.8±1.0 W/mK。TIM性能測試表明，該復(fù)合材料的冷卻效率比商業(yè)液態(tài)金屬產(chǎn)品高約1.9倍。研究成果以“Surface-metallized diamond/liquid metal composites through diamond size engineering as high-performance thermal interface materials”為題發(fā)表在《Surfaces and Interfaces》期刊。

       圖文導(dǎo)讀

       圖1. (a) SMDP/LM復(fù)合材料的制備過程示意圖。(b) BDP和SMDP的照片。(c) EGaInSn基體的照片，(d) SMDP/LM復(fù)合材料的照片。(e) BDP和(f) SMDP的共聚焦激光掃描顯微鏡圖像。(g) 低倍率和(h) 高倍率下SMDP的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，(i) 相應(yīng)的能量色散X射線光譜(EDS)映射。(j) BDP/LM復(fù)合材料的SEM圖像，(k) 相應(yīng)的EDS映射。

       圖2. (a) 低倍率和 (b), (c) 高倍率下BDP/LM復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。含有金剛石含量為 (d) 40; (e) 50; (f) 60體積% (金剛石尺寸: 400 – 450 μm) 的L-SMDP/LM導(dǎo)熱界面材料(TIMs)的SEM圖像；(g) 示意說明在含有60體積%金剛石的復(fù)合材料中觀察到的孔洞和空隙。通過金剛石尺寸工程制備的m-SMDP/LM TIMs，金剛石含量為 (h) 50體積% (小/大: 10/40體積%) 和 (i) 52體積% (小/大: 12/40體積%)。

       圖3. 我們的導(dǎo)熱界面材料(TIMs)的熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)隨金剛石含量的變化：(a) 含有400 – 450 μm金剛石的L-SMDP/LM；(b) 固定大金剛石含量為40體積%且小金剛石含量可變的m-SMDP/LM（尺寸：200 – 250 μm）。(c) 在相同含量（50體積%）下，通過金剛石尺寸工程處理的BDP/LM和SMDP/LM之間的熱導(dǎo)率比較。(d) 通過金剛石尺寸工程實現(xiàn)的SMDP/LM優(yōu)越的傳熱能力的機制。(e) 熱導(dǎo)率的環(huán)境溫度依賴性以及(f) 我們TIMs的優(yōu)異熱循環(huán)穩(wěn)定性。傳熱性能測試：(g) 測量配置；(h) 紅外圖像隨加熱時間的變化；(i) 相應(yīng)的表面溫度演變。 

       圖4.  (a) 用于評估我們的m-SMDP/LM導(dǎo)熱界面材料(TIM)性能的示意圖，(b) 在30W輸入功率下加熱器表面溫度隨時間變化的函數(shù)，(c) 達到穩(wěn)態(tài)時加熱器表面溫度隨不同輸入功率變化的函數(shù)，以及(d) 加熱/冷卻測試中的熱震穩(wěn)定性。

       圖5. (a) LED燈散熱配置的示意圖，(b) 紅外圖像，以及(c) LED燈表面溫度隨時間變化的函數(shù)。