隨著AI算力芯片、第三代半導體高頻器件及國防裝備向高集成化、小型化方向加速迭代，其熱流密度已突破1000 W/cm2，傳統散熱技術難以應對高熱流密度挑戰。金剛石憑借2000 W/(mK)的超高熱導率，是目前解決高熱流密度散熱難題的最優材料。但因自身棱角結構產生較大的接觸熱阻限制了金剛石熱界面材料的發展。

       近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所虞錦洪、江南、王延東、代文團隊在金剛石/液態金屬熱界面材料制備技術上取得新突破。團隊提出雙層界面構筑策略，首先微球化的液態金屬（LM）與微米金剛石共混于環氧樹脂基體中，制備了兼具超低熱阻與高絕緣的導熱粘結劑（TCA）表層。微納米級的TCA可填充異形封裝縫隙。通過高轉速剪切誘導LM在金剛石（150 μm）表面生成氧化鎵層，再利用梯度轉速調控液態金屬包裹氧化鎵層，構建的中間層熱導率高達237.9 W/(mK)。最后，通過“界面涂覆-主體填充-表層封裝”的三明治結構設計，既阻隔了LM的泄漏風險，又通過低熱阻界面與高體熱導率實現熱量的快速傳導。研究成果以“Morphology-Controllable Liquid Metal/Diamond Sandwich-Structured ThermaInterface Material toward High-Effciency Thermal Management”為題發表在《ACS Nano》期刊。

       圖文導讀

圖1.(a)填料的導熱系數。(b)不同尺寸金剛石顆粒的光學圖像。(c)金剛石原子結構。(d)不同狀態的LM。(e) LM的可變流動性。(f)通過有限元分析模擬金剛石在不同基體中的傳熱速率。(g) LM@D復合材料的制備工藝。(h) LM@D復合材料光學圖像。(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應的（n, o）的表面吸附能。(p)不同形狀LM@D壓塊的光學圖像。 

圖2.(a-c) LM@D復合材料塊的光學圖像及其對應的SEM圖像。(d)不同尺寸金剛石顆粒制備的LM@D復合材料的密度和導熱系數。(e) LM@D的導熱系數與環境溫度的關系。(f) LM@D復合材料與以往文獻中代表性材料的導熱系數比較。(g)評估通過平面瞬態傳熱的測試裝置(Al和LM@D的紅外圖像)和(h)溫度演變與加熱時間的關系。(i- 1) LM@D顆粒尺寸變化的SEM圖像。(m) LM@D復合球團的傳熱機理。(n,o)不同尺寸下復合球團的SEM圖像及其對應的導熱系數。(p)將Lewis-Nielsen導熱模型與圖2o中的數據擬合。(q) COMSOL對不同尺寸球團傳熱速率和溫度演化的瞬態模擬。

圖3.(a)在LM@D中形成LM的導電路徑，(b) LM@D表面形貌的SEM圖像。(c)不同填料與EP混合后的光學圖像。(d) D /LM/EP絲印和填縫的SEM圖。(e) D/LM/EP內部結構的SEM圖像。(f) D/LM/EP的界面熱阻（Rtotal）。(g) D/LM/EP與文獻報道的導熱復合材料的比較。(h)表面粗糙度對比及演變過程如(i)所示。(j)封裝在D/LM/EP復合材料中的LM的SEM圖像。(k)體積電阻率。(l)剪切過程中EP和D/LM/EP的應力-應變曲線。(m)“三明治結構”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瞬態仿真的溫度演化和熱分布。

圖4.(a)實驗設置和(b) TIM性能測量系統示意圖。(c)無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）對應的溫度變化曲線。（e,f）在ANSYS Workbench中模擬不同界面熱阻引起的傳熱差異。(g)實驗裝置示意圖及通過平面散熱和平面余熱回收的結構示意圖(h)。(i)實驗裝置傳熱機理圖。(j)器件照片及封裝工藝。(k)不同節點溫度演化曲線。(l)紅外圖像。(m) TEC輸出電壓、電流演變曲線。(n)輸出功率驅動電子元件。