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  2020年3月，Engineered Science旗下雜志《ES Materials & Manufacturing》在線發(fā)表了西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院周永存副教授的最新綜述論文 “Recent Advances in Thermal Interface Materials” (文章號(hào)：ES Mater. Manuf., 2020, 7, 4-24)，詳細(xì)地闡述了熱界面材料（TIM）的最新研究進(jìn)展，討論了基于流變學(xué)的建模和設(shè)計(jì)以及導(dǎo)熱填料對(duì)復(fù)合材料性能的影響，為熱界面材料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。該論文被選為ESMM期刊第7卷的封面文章 (DOI: 10.30919/esmm5f717).

  近年來，小型化和集成化已經(jīng)成為電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。隨著電子設(shè)備功率的不斷增加，產(chǎn)生的熱量也急劇增加。熱界面材料 (TIM) （圖1）可以有效提升兩個(gè)固體界面之間的熱傳遞，并且可以在電子設(shè)備的性能、使用壽命和穩(wěn)定性方面起著重要作用，譬如過高的溫度會(huì)危及半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)，損傷電路的連接界面，增加導(dǎo)體的阻值和造成機(jī)械應(yīng)力損傷。因此確保發(fā)熱電子元器件所產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)的排出，己經(jīng)成為微電子產(chǎn)品系統(tǒng)組裝的一個(gè)重要方面，而對(duì)于集成程度和組裝密度都較高的便攜式電子產(chǎn)品，散熱甚至成為了整個(gè)產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸問題。微電子領(lǐng)域的一門新興學(xué)科——熱管理，專門研究各種電子設(shè)備的安全散熱方式、散熱設(shè)備及所使用的材料。由于熱界面材料 (TIM)要有更好的熱管理性能，所以熱界面材料TIM材料擁有廣泛的應(yīng)用前景，如何達(dá)到熱界面材料 (TIM) 的創(chuàng)新和優(yōu)化也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

圖1：熱界面材料 (TIM)實(shí)體

  由于界面粗糙度的存在，當(dāng)兩個(gè)固體界面相接觸時(shí)，只有相當(dāng)少的幾個(gè)點(diǎn)在界面之間能形成實(shí)際接觸。由于空氣的熱導(dǎo)率相較于材料本身要低四個(gè)數(shù)量級(jí)，所以絕大部分的熱量傳遞的只有依托于實(shí)際接觸的有限個(gè)點(diǎn)。而一般由柔軟材料制成的熱界面材料 (TIM) 可以很大程度上解決這個(gè)問題（圖2），它可以填充兩個(gè)表面之間的空隙，從而增加有效接觸面積。配合熱界面材料 (TIM) 自身的高導(dǎo)熱率，可以很好的解決材料接觸界面的熱傳導(dǎo)不順暢的問題。

圖2：( a)熱界面材料 (TIM)填充界面空隙，增加有效接觸面積 ( b)熱界面材料 (TIM)實(shí)際導(dǎo)熱示意圖

  在實(shí)際材料的制備中，一個(gè)重要的影響因素就是導(dǎo)電填料的占比分?jǐn)?shù)，因?yàn)殡m然高填充率可以顯著提升材料的導(dǎo)熱能力，但是成本的提高和機(jī)械性能的降低就將成為阻礙TIM材料應(yīng)用的缺陷。在一定濃度條件下，導(dǎo)電顆粒將會(huì)與其相鄰的顆粒發(fā)生接觸，從而形成導(dǎo)電顆粒網(wǎng)絡(luò)，這種導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)稱為滲濾，填料可以有效導(dǎo)電的臨界濃度稱為滲濾閾值。研究發(fā)現(xiàn)，添加超過滲濾閾值的導(dǎo)電填料的熱界面材料(TIM)（圖3（b））相比于少量添加的熱界面材料（TIM）（圖3（a）），極大地提高了熱界面材料（TIM）的導(dǎo)熱系數(shù)。同時(shí)，添加高橫縱比填料（圖3（c））或不同尺寸填料（圖3（d））的熱界面材料（TIM）可以幫助降低到達(dá)滲濾閾值時(shí)的填充比，從而更好地保留基體材料的機(jī)械性能同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

圖3：( a) TIM  ( b) TIM滲濾 ( c)高橫縱比填料TIM滲濾 ( d)不同尺寸填料TIM滲濾

  隨著TIM研究的發(fā)展，碳納米管導(dǎo)熱界面材料的應(yīng)用也有很廣泛的前景。雖然碳納米管（CNT）作為熱界面材料（TIM）中的填料有一定的局限性，但垂直排列的跨越基板間隙的碳納米管（CNT）陣列排列可以很大程度上消除材料的內(nèi)部界面，這是一種在熱界面材料（TIM）中應(yīng)用CNT的實(shí)用方法�？梢酝ㄟ^在基體上直接生長(zhǎng)的辦法制備包含CNT的TIM復(fù)合材料，可以結(jié)合不同工藝方法和性能要求選擇不同的制備方式（圖4）。

圖4：碳納米管陣列界面結(jié)構(gòu)示意圖( a)單界面 ( b)雙界面 ( c) CNT涂層箔片接口 ( d) CNT以金屬鍵或化學(xué)鍵與基板結(jié)合

  同時(shí)許多研究表明，一些填充了高導(dǎo)熱、低損耗陶瓷材料的聚合物非常適合用于電子元器件封裝方向。該論文對(duì)目前存在的問題進(jìn)行了討論，對(duì)熱界面材料（TIM）的未來研究方向進(jìn)行了展望。

  通過回顧世界范圍內(nèi)有關(guān)熱界面材料（TIM）的導(dǎo)熱性和表面改性的研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，未來的建模工作將集中在界面殼層上，以操縱和調(diào)節(jié)納米填料顆粒與聚合物基質(zhì)之間的相互作用。同時(shí)新材料的研發(fā)應(yīng)注重填料含量的降低以保證熱界面材料（TIM）材料的機(jī)械性能不會(huì)降低明顯。伴隨電子設(shè)備集成化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)，研究者對(duì)熱界面材料（TIM）的探索是無止境的，目前的研究方法（通過對(duì)填料材料進(jìn)行表面改性來提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率）在未來一段時(shí)間內(nèi)仍是主流研究方向。

  未來的理想熱界面材料將具有高導(dǎo)熱、高柔韌、高絕緣、應(yīng)用簡(jiǎn)便、適用性廣的特點(diǎn)，能保證在較低安裝壓力條件下熱界面此材料能夠最充分地填充接觸表面的空隙，保證熱界面材料與接觸面間的接觸熱阻很小。對(duì)于高性能的追求仍將是對(duì)熱界面材料 (TIM) 未來的主要挑戰(zhàn)。

  西北工業(yè)大學(xué)周永存副教授為該論文的第一作者和通訊作者。合作者還有中科院深圳先進(jìn)納米研究院的朱朋莉研究員，中南大學(xué)的吳飛翔教授，西工大劉峰教授，以及路易斯安那州澤維爾大學(xué)的Zhe Wang副教授、田納西大學(xué)的Zhanhu Guo副教授為共同通訊作者。該論文得到國(guó)家自然科學(xué)基金以及太倉市創(chuàng)新人才計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

  論文鏈接：http://www.espublisher.com/espub/vip_doc/16700854.html