前沿研究：通過金剛石尺寸工程的表面金屬化金剛石/液態(tài)金屬復(fù)合材料作為高性能熱界面材料

隨著大功率電子器件和高集成度半導(dǎo)體芯片發(fā)展，高性能熱界面材料（TIM）需求增長，以解決熱管理問題。鎵基液態(tài)金屬（15~39W/m·K）熱導(dǎo)率高于傳統(tǒng)聚合物基TIM（<0.2W/m·K），成為下一代TIM候選材料，但存在泄漏風(fēng)險。“Surface-metallized diamond/liquid metal composites through diamond size engineering as high-performance thermal interface materials”研究將EGaInSn與表面涂覆Cr/Cu雙層的金屬化金剛石微粒機械混合，制備液態(tài)金屬復(fù)合材料，研究兩種不同粒徑顆粒組合的影響。金剛石/液態(tài)金屬TIM熱導(dǎo)率為117.8±1.0W/m·K，金剛石含量50vol％（小/大顆粒：10/40vol％）。TIM性能測試表明，該復(fù)合材料冷卻效率比先進(jìn)液態(tài)金屬產(chǎn)品高出約1.9倍，且在高功率LED設(shè)備中表現(xiàn)出卓越散熱能力。

電子工業(yè)快速發(fā)展，半導(dǎo)體芯片特征尺寸縮小，電子元件功率密度上升，熱管理挑戰(zhàn)對電子設(shè)備正常運行產(chǎn)生重大影響。高性能TIM在熱管理中至關(guān)重要，填補熱源和散熱器之間微小間隙，實現(xiàn)有效熱傳遞。傳統(tǒng)TIM由聚合物基質(zhì)填充高導(dǎo)熱系數(shù)微粒構(gòu)成，但聚合物基質(zhì)固有熱導(dǎo)率較低，限制了其在高熱流密度應(yīng)用中的有效性。

鎵基液態(tài)金屬（LM）因金屬特性具有優(yōu)異導(dǎo)熱性（15~39W/m·K），明顯高于聚合物基TIM。LM流動性可有效填充電子芯片和散熱器之間的微間隙，但高表面張力使其易泄漏。研究人員通過機械混合將導(dǎo)熱填料（如Cu、Ag和金剛石）引入LM，提高導(dǎo)熱性并降低泄漏風(fēng)險。金剛石因高各向同性熱導(dǎo)率（2000W/m·K）有望成為導(dǎo)熱填料。Zeng等將50μm尺寸金剛石顆粒摻入LMs，含量50vol%，熱導(dǎo)率增強（TCE）190%。Wang等采用250μm尺寸金剛石顆粒，制備金剛石含量43.9vol%的復(fù)合材料，熱導(dǎo)率107.2W/m·K，TCE266%。Wei等采用40μm尺寸鉻包覆金剛石顆粒作為填料，填料含量60vol%時，熱導(dǎo)率112.5W/m·K，TCE284%。

單一尺寸金剛石顆粒無法在LMs基體中形成有效導(dǎo)熱通道。Zhu等和Jang等在熱塑性聚氨酯和聚二甲基硅氧烷（PDMS）中添加大尺寸和小尺寸填料，建立有效導(dǎo)熱通道，提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。此類策略很少應(yīng)用于金剛石填料增強液態(tài)金屬基質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，具有巨大研究潛力。

“Surface-metallized diamond/liquid metal composites through diamond size engineering as high-performance thermal interface materials”研究中，中國科學(xué)院寧波材料所林正得、薛晨團(tuán)隊聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)胡曉君團(tuán)隊首先用鉻層涂覆金剛石微粒，再用銅殼覆蓋形成表面金屬化金剛石顆粒（SMDP），采用磁控濺射結(jié)合流化床技術(shù)。將大尺寸SMDP（400-450μm，l-SMDP）摻入EGaInSn，TIM導(dǎo)熱系數(shù)在金剛石含量50vol%時達(dá)100.8±0.8W/m·K?；旌蟂MDP（m-SMDP：大小SMDP，小尺寸SMDP，200-250μm，s-SMDP）調(diào)整到EGaInSn中，在相同含量50vol%（小/大顆粒：10/40vol%）下，熱導(dǎo)率提高到117.8±1.0W/m·K，TCE675%。該復(fù)合材料散熱效率比先進(jìn)液態(tài)金屬產(chǎn)品高出約1.9倍，展現(xiàn)優(yōu)異散熱能力。本研究成果發(fā)表在《Surfaces and Interfaces》期刊。

原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2468023025002494?via%3Dihub

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