隨著AI算力芯片、第三代半導(dǎo)體高頻器件及國(guó)防裝備向高集成化、小型化方向加速迭代，其熱流密度已突破1000 W/cm2，傳統(tǒng)散熱技術(shù)難以應(yīng)對(duì)高熱流密度挑戰(zhàn)。金剛石憑借2000 W/(mK)的超高熱導(dǎo)率，是目前解決高熱流密度散熱難題的最優(yōu)材料。但因自身棱角結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的接觸熱阻限制了金剛石熱界面材料的發(fā)展。

       近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所虞錦洪、江南、王延?xùn)|、代文團(tuán)隊(duì)在金剛石/液態(tài)金屬熱界面材料制備技術(shù)上取得新突破。團(tuán)隊(duì)提出雙層界面構(gòu)筑策略，首先微球化的液態(tài)金屬（LM）與微米金剛石共混于環(huán)氧樹(shù)脂基體中，制備了兼具超低熱阻與高絕緣的導(dǎo)熱粘結(jié)劑（TCA）表層。微納米級(jí)的TCA可填充異形封裝縫隙。通過(guò)高轉(zhuǎn)速剪切誘導(dǎo)LM在金剛石（150 μm）表面生成氧化鎵層，再利用梯度轉(zhuǎn)速調(diào)控液態(tài)金屬包裹氧化鎵層，構(gòu)建的中間層熱導(dǎo)率高達(dá)237.9 W/(mK)。最后，通過(guò)“界面涂覆-主體填充-表層封裝”的三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既阻隔了LM的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，又通過(guò)低熱阻界面與高體熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳導(dǎo)。研究成果以“Morphology-Controllable Liquid Metal/Diamond Sandwich-Structured ThermaInterface Material toward High-Effciency Thermal Management”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊。

       圖文導(dǎo)讀

圖1.(a)填料的導(dǎo)熱系數(shù)。(b)不同尺寸金剛石顆粒的光學(xué)圖像。(c)金剛石原子結(jié)構(gòu)。(d)不同狀態(tài)的LM。(e) LM的可變流動(dòng)性。(f)通過(guò)有限元分析模擬金剛石在不同基體中的傳熱速率。(g) LM@D復(fù)合材料的制備工藝。(h) LM@D復(fù)合材料光學(xué)圖像。(i) LM@D的SEM圖像。（不同尺寸的金剛石顆粒）。LM@D譜圖分析：(j) 拉曼光譜，(k) XPS，(l) XRD。(m)金剛石原子界面模型和對(duì)應(yīng)的（n, o）的表面吸附能。(p)不同形狀LM@D壓塊的光學(xué)圖像。 

圖2.(a-c) LM@D復(fù)合材料塊的光學(xué)圖像及其對(duì)應(yīng)的SEM圖像。(d)不同尺寸金剛石顆粒制備的LM@D復(fù)合材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。(e) LM@D的導(dǎo)熱系數(shù)與環(huán)境溫度的關(guān)系。(f) LM@D復(fù)合材料與以往文獻(xiàn)中代表性材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較。(g)評(píng)估通過(guò)平面瞬態(tài)傳熱的測(cè)試裝置(Al和LM@D的紅外圖像)和(h)溫度演變與加熱時(shí)間的關(guān)系。(i- 1) LM@D顆粒尺寸變化的SEM圖像。(m) LM@D復(fù)合球團(tuán)的傳熱機(jī)理。(n,o)不同尺寸下復(fù)合球團(tuán)的SEM圖像及其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)。(p)將Lewis-Nielsen導(dǎo)熱模型與圖2o中的數(shù)據(jù)擬合。(q) COMSOL對(duì)不同尺寸球團(tuán)傳熱速率和溫度演化的瞬態(tài)模擬。

圖3.(a)在LM@D中形成LM的導(dǎo)電路徑，(b) LM@D表面形貌的SEM圖像。(c)不同填料與EP混合后的光學(xué)圖像。(d) D /LM/EP絲印和填縫的SEM圖。(e) D/LM/EP內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SEM圖像。(f) D/LM/EP的界面熱阻（Rtotal）。(g) D/LM/EP與文獻(xiàn)報(bào)道的導(dǎo)熱復(fù)合材料的比較。(h)表面粗糙度對(duì)比及演變過(guò)程如(i)所示。(j)封裝在D/LM/EP復(fù)合材料中的LM的SEM圖像。(k)體積電阻率。(l)剪切過(guò)程中EP和D/LM/EP的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(m)“三明治結(jié)構(gòu)”封裝的SEM圖像和放大后的圖像(n)。（o,p）不同封裝條件下ANSYS Workbench瞬態(tài)仿真的溫度演化和熱分布。

圖4.(a)實(shí)驗(yàn)設(shè)置和(b) TIM性能測(cè)量系統(tǒng)示意圖。(c)無(wú)TIMs的陶瓷加熱板表面溫度演變曲線。(d)橋接熱源與散熱器的不同接觸面（D/LM/EP & LM@D）對(duì)應(yīng)的溫度變化曲線。（e,f）在ANSYS Workbench中模擬不同界面熱阻引起的傳熱差異。(g)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及通過(guò)平面散熱和平面余熱回收的結(jié)構(gòu)示意圖(h)。(i)實(shí)驗(yàn)裝置傳熱機(jī)理圖。(j)器件照片及封裝工藝。(k)不同節(jié)點(diǎn)溫度演化曲線。(l)紅外圖像。(m) TEC輸出電壓、電流演變曲線。(n)輸出功率驅(qū)動(dòng)電子元件。