来源 | Composites Part A: Applied Science and Manufacturing

链接 | https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12250

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背景介绍

随着高功率电子器件向微型化与 3D 集成方向发展，功率密度持续升高导致局部热积累问题加剧，尤其 3D 封装中垂直堆叠结构阻碍轴向散热，严重影响器件可靠性与效率。传统热界面材料（TIMs）存在核心矛盾：聚合物基材料虽具柔韧性，但热导率低；填充型复合材料（金属 / 陶瓷 / 碳基填料）提升热导率的同时会牺牲力学柔韧性。因此，开发兼顾高热导率、低界面热阻与优异力学适应性的 TIMs 成为关键需求。

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成果掠影

近日，西安交通大学绍兴市通越宽禁带半导体研究院Song Wei、中国科学院金属研究院郭敬东团队通过模塑与低温真空浸渍技术相结合，成功制备出具有高导热性能和优异弹性的金刚石@EGaInSn（共晶镓铟锡合金）/聚硅氧烷双连续相导热垫。微观结构分析证实，该材料形成了金刚石@EGaInSn与聚硅氧烷相互贯穿的三维网络结构，其中EGaInSn合金均匀包覆金刚石表面并形成液态桥接，从而构建出连续导热通路。该导热垫实现了25.85 W/(m·K)的高导热率和0.35 K·mm²/W的超低界面接触热阻，性能显著优于商用热界面材料。材料同时具备优异的力学性能（80 PSI 载荷下变形小于 20 μm）、热循环稳定性（25-110℃循环后性能稳定）与成本优势，且制备工艺易工业化，为高功率电子器件热管理提供新方案。研究成果“Controllable construction and performance response regulation of diamond@EGaInSn-based bicontinuous phase thermal interface materials”为题发表在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》

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图文导读

图1：金刚石@EGaInSn/聚硅氧烷BCP热垫的3D X射线形态。

图2：金刚石@EGaInSn/聚硅氧烷BCP热垫中聚硅氧烷连续相的尺寸随压制压力的变化：（a）聚硅氧烷横截面在X方向上的长宽比，（b）聚硅氧烷横截面在Y方向上的长宽比，（c）聚硅氧烷横截面在Z方向上的长宽比，（d）聚硅氧烷横截面在X、Y和Z方向上的长宽比的总体变化。（e）聚硅氧烷在X、Y和Z方向上的横截面积的比例。

图3：不同压制压力和VFDPs下BCP热垫的微观形态和定性分析：（a）15 PSI，（b）25 PSI，（c）40 PSI，（d）70 PSI，（e）100 PSI，（f）85%，（g）75%，（h）70%，（i）BCP热垫、EGaInSn合金、金刚石。

图4：金刚石@EGaInSn/聚硅氧烷BCP热垫的界面形态：（a）和（b）金刚石/EGaInSn界面，（c）EGaInSn/聚硅氧烷界面。

图5：BCP热垫在制备过程中的结构演变：（a）和（b）金刚石/EGaInSn复合材料的SEM，（c）金刚石@EGaInSn颗粒;（d）成形后的表面LSCM形态，（e）各成分的分布，（f）灰度对比成像，（g）聚硅氧烷，（h）EGaInSn，（i）低放大倍率等高线图，（j）低放大倍率3D形貌，（k）灰度形态，（l）高放大率3D地形图，（m）高放大率等高线图，（n）高度曲线。

图6：BCP导热垫的导热系数及相关影响因素：（a）总热阻与厚度的关系（PP为压制压力，测试压力为80 PSI），（B）热导率和ICTR，（c）与汉高导热垫的性能比较，（d）聚硅氧烷体积分数和表面积，（e）不同压制压力下的颗粒距离和粒径，（f）不同压制压力下的VFDP相变热通量。

图7：VFDP对BCP导热垫导热系数的影响：（a）不同VFDP的导热系数和聚硅氧烷体积分数，（b）温度与热流和距离的关系，（c）不同VFDP的瞬态热曲线，（d）不同VFDP的热流云图。

图8：键合压力对BCP热焊盘热性能的影响：（a）不同测试压力下的热阻（压制压力为15 PSI），（B）不同测试压力下的电阻（压制压力为15 PSI），（c）界面接触示意图

图9：表面粗糙度对BCP热垫ICTR的影响：（a）ICTR与表面粗糙度之间的关系，（b）不同压制压力下的表面粗糙度，（c）15 PSI，（d）25 PSI，（e）40 PSI，（f）70 PSI，（g）100 PSI（1是金刚石@EGaInSn复合材料，2是BCP热垫）。

图10：BCP导热垫的压缩性能及相关因素：（a）具有不同压制压力的压缩应力-应变曲线，（b）在43.5 PSI的应力下具有不同压制压力的BCP热垫的应变，（c）具有不同压制压力的聚硅氧烷体积分数，（d）连续压力负载，（e）具有不同聚硅氧烷硬度的压缩应力-应变曲线，（f）压力对BCP热垫的弯曲刚度的影响。

图11：BCP热垫的热循环性能：（a）热循环温度-时间曲线，（b）热阻与循环次数的关系（试验压力为80 PSI），（c）168次循环后的三维显微组织。

图12：两种商用TIM和BCP热垫在加热环境中的热响应性能：（a）同步加热和冷却曲线，（b）0至200 s加热曲线，（c）斜率曲线，（d）0至200 s的温差曲线，（e）0至200 s的红外热图像。