來源 | Composites Part B：engineering

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背景介紹

隨著功率密度的快速上升和封裝結構的密集化，散熱已經(jīng)成為現(xiàn)代微電子的關鍵瓶頸。對于碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，通過芯片底部的熱流密度已經(jīng)從100-250 W/cm²急劇增加到1 kW/cm²。為了提高器件的性能和壽命，迫切需要具有高通平面導熱系數(shù)、柔軟度和電絕緣性的熱界面材料(TIMs)將產(chǎn)生的熱量高效地傳遞到散熱器。

目前，絕緣TIMs是通過隨機混合導熱和絕緣填料(如氧化鋁、氮化硼和氮化鋁)和聚合物(通常為有機硅)來獲得的，這導致導熱系數(shù)低于8 W/mK。更嚴重的是，過高的填充物含量會降低材料的柔軟性和回彈性，在實際應用中會阻礙芯片與散熱器之間的熱傳導。在相對較低填料含量的情況下，提出了一種高通平面導熱系數(shù)的策略是調(diào)節(jié)填料的垂直方向。

六方氮化硼(BN)由于其高導熱系數(shù)(面內(nèi)TC ~400 W/mK與金屬一樣高，面外TC ~30 W/mK)、優(yōu)異的電絕緣性能和高質(zhì)量的量產(chǎn)性而成為一種很有前途的導熱填料。利用氮化硼薄片在聚合物中獲得高度垂直定向的氮化硼結構的方法有多種，如電場、磁場、膨脹流輔助方法、3D打印法、疊切法、凍鑄法。然而，BN片的垂直取向度較差，限制了BN-聚合物復合材料的面外導熱系數(shù)。

為了實現(xiàn)高度的定向，在制造過程中需要很大的外力來克服BN片的躍遷能壘，但BN片與聚合物分子摩擦產(chǎn)生的高粘度限制了其沿外力方向的旋轉(zhuǎn)和定向。因此，大多數(shù)研究采用大尺寸BN，加大外力，多外力協(xié)同作用來優(yōu)化垂直方向。然而，由于目前還沒有關于BN膜填充聚合物復合材料的系統(tǒng)工作，因此對其通面熱導率仍然是未知的。

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成果掠影

近期，北京大學白樹林老師針對解決現(xiàn)代電氣器件散熱用的具有高面外導熱系數(shù)，優(yōu)異的柔軟性和電絕緣性對的TIMs取得最新進展。該團隊采用簡單的堆積-切割方法制備了BN薄膜填充硅橡膠復合材料，該方法保持了BN薄膜的高取向度，從而獲得了創(chuàng)紀錄的19.1 W/mK的面外導熱系數(shù)和5.42 MPa的低壓縮模量。低BN含量(37 vol%)保證了制備的TIMs的柔軟性和彈性。本文提出了一種提高BN基TIMs性能的高效策略，促進了其大規(guī)模生產(chǎn)和實際應用。研究成果以“Highly thermally conductive and soft thermal interface materials based on vertically oriented film”為題發(fā)表在《Composites Part B: Engineering》。

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圖文導讀

圖1. V-BNF/SR復合材料加工流程圖。

圖2. 復合材料的微觀形貌、結構和柔韌性。

圖3. BN排列的微觀形貌示意圖。

圖4. 復合材料的導熱性能。

圖5.復合材料的熱阻。

圖5.復合材料的機械性能。

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