一种基于高度垂直取向的热界面材料

来源 | Composites Part B：engineering

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背景介绍

随着功率密度的快速上升和封装结构的密集化，散热已经成为现代微电子的关键瓶颈。对于碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，通过芯片底部的热流密度已经从100-250 W/cm²急剧增加到1 kW/cm²。为了提高器件的性能和寿命，迫切需要具有高通平面导热系数、柔软度和电绝缘性的热界面材料(TIMs)将产生的热量高效地传递到散热器。

目前，绝缘TIMs是通过随机混合导热和绝缘填料(如氧化铝、氮化硼和氮化铝)和聚合物(通常为有机硅)来获得的，这导致导热系数低于8 W/mK。更严重的是，过高的填充物含量会降低材料的柔软性和回弹性，在实际应用中会阻碍芯片与散热器之间的热传导。在相对较低填料含量的情况下，提出了一种高通平面导热系数的策略是调节填料的垂直方向。

六方氮化硼(BN)由于其高导热系数(面内TC ~400 W/mK与金属一样高，面外TC ~30 W/mK)、优异的电绝缘性能和高质量的量产性而成为一种很有前途的导热填料。利用氮化硼薄片在聚合物中获得高度垂直定向的氮化硼结构的方法有多种，如电场、磁场、膨胀流辅助方法、3D打印法、叠切法、冻铸法。然而，BN片的垂直取向度较差，限制了BN-聚合物复合材料的面外导热系数。

为了实现高度的定向，在制造过程中需要很大的外力来克服BN片的跃迁能垒，但BN片与聚合物分子摩擦产生的高粘度限制了其沿外力方向的旋转和定向。因此，大多数研究采用大尺寸BN，加大外力，多外力协同作用来优化垂直方向。然而，由于目前还没有关于BN膜填充聚合物复合材料的系统工作，因此对其通面热导率仍然是未知的。

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成果掠影

近期，北京大学白树林老师针对解决现代电气器件散热用的具有高面外导热系数，优异的柔软性和电绝缘性对的TIMs取得最新进展。该团队采用简单的堆积-切割方法制备了BN薄膜填充硅橡胶复合材料，该方法保持了BN薄膜的高取向度，从而获得了创纪录的19.1 W/mK的面外导热系数和5.42 MPa的低压缩模量。低BN含量(37 vol%)保证了制备的TIMs的柔软性和弹性。本文提出了一种提高BN基TIMs性能的高效策略，促进了其大规模生产和实际应用。研究成果以“Highly thermally conductive and soft thermal interface materials based on vertically oriented film”为题发表在《Composites Part B: Engineering》。

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图文导读

图1. V-BNF/SR复合材料加工流程图。

图2. 复合材料的微观形貌、结构和柔韧性。

图3. BN排列的微观形貌示意图。

图4. 复合材料的导热性能。

图5.复合材料的热阻。

图5.复合材料的机械性能。

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