垂直取向碳纤维复合弹性散热材料助力大功率电子器件散热

背景介绍

5G 通信、AI、高性能计算与电动汽车推动电子器件向高功率密度、高集成、小型化发展，芯片单位面积产热激增，热管理成为制约器件可靠性的关键瓶颈。弹性热界面材料可填充界面缝隙，但传统化学交联弹性热界面材料存在面外导热系数与接触热阻的固有矛盾；高导热填料取向制备工艺复杂，难以同时实现高导热与低接触热阻，亟需开发可规模化制备的新型热界面材料。

研究成果

近日，北京化工大学 卢咏来教授、高洋洋教授与北京林业大学 李京超副教授团队联合攻关，提出移动链辅助流动取向‑界面适配制备策略。该策略向有机硅交联网络引入高分子羟基有机硅自由链，结合挤出流动取向与纵向切割工艺，制备垂直取向 V‑cSi/fSi‑OH/CF 热界面材料。自由羟基硅链可调控前驱体流变行为，辅助碳纤维在挤出剪切下实现垂直取向，同时提升基体界面浸润性与链段运动能力。最优样品面外导热系数达 54.7 W/(m·K)，在仅 1 psi 低压下即可实现与散热器的保形接触，接触热阻低至 11.2 K·mm²·W⁻¹，相较传统交联样品降低 84%。材料兼具优异压缩回弹性与长期湿热、热老化可靠性，CPU 散热实测性能优于商用热界面材料，工艺易于规模化，为高性能弹性热界面材料提供新设计思路，相关成果以《Mobile‑Chain‑Assisted Flow Alignment and Interfacial Adaptation Enable Elastomeric Thermal Interface Materials with High through‑Plane Thermal Conductivity and Low Contact Thermal Resistance》为题发表于《Advanced Functional Materials》。

链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78069

图文速览

图1. V‑cSi/fSi‑OH/CF 热界面材料的结构原理、制备流程与性能对比。(a) 传统化学交联弹性热界面材料工作原理示意图；(b) V‑cSi/fSi‑OH/CF 弹性热界面材料工作原理示意图；(c) 复合材料整体制备工艺示意图；(d) 超声切割制备 V‑cSi/fSi‑OH/CF 热界面材料实物照片；(e) 不同厚度 V‑cSi/fSi‑OH/CF 热界面材料实物照片；(f) 本工作与文献报道、商用热界面材料的接触热阻‑面外导热系数性能对比。

图2. 复合材料微观结构与力学性能表征。(a) 复合材料微观结构与分子链示意图；(b) cSi/CF 样品储能模量 (G’) 与损耗模量 (G’’) 随剪切应力的变化曲线；(c) cSi/fSi‑OH/CF 样品储能模量 (G’) 与损耗模量 (G’’) 随剪切应力的变化曲线；(d) V‑cSi/fSi‑OH/CF 的小角 X 射线散射 (SAXS) 表征；(e) V‑cSi/fSi‑OH/CF 扫描电镜 (SEM) 图像；(f) V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 样品 50% 应变下 100 次循环应力‑应变曲线；(g) 85 ℃、85% 相对湿度条件老化 1000 h 后 V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 的压缩‑回复曲线；(h) 150 ℃热老化 1000 h 后 V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 的压缩‑回复曲线。

图3. V‑cSi/fSi‑OH/CF 复合材料导热性能与红外热成像测试。(a) 不同填料含量 V‑cSi/fSi‑OH/CF 的导热系数；(b) 不同填料含量样品面外 / 面内导热系数各向异性比值；(c) 不同填料空间分布取向复合材料的导热系数对比；(d) 不同厚度 V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 的导热系数；(e) V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 导热系数随测试温度的变化；(f) 高低温循环下 V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 导热系数变化；(g) 热界面材料传热能力测试系统示意图；(h) 不同填料分布复合材料的红外热成像图；(i) 不同填料分布复合材料的温度随时间变化曲线。

图4. 不同复合材料的热阻与界面适配机制研究。(a) 不同复合材料在不同压力下的总热阻；(b) 不同复合材料与铝基板接触界面的 SEM 图像；(c) 分子动力学模拟得到不同复合模型与铝基板之间的界面填充率；(d) 不同复合材料分子模拟模型示意图；(e) 相同热源条件下不同复合材料模拟传热效率；(f) 不同复合材料‑铝基板界面分子模拟截面图；(g) 不同复合材料模型与铝基板之间模拟界面结合能；(h) 不同复合材料界面作用机制示意图。

图5. 热界面材料实际热管理应用测试。(a) 热界面材料性能测试系统示意图；(b) V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 与商用热界面材料在不同功率密度下的热源温度对比；(c) V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 和商用热界面材料总热阻与BLT的关系；(d) 20 次冷热循环条件下 V‑cSi/fSi‑OH/CF@55.5 热稳定性测试；(e) 搭载三种不同热界面材料的热管理系统稳态温度分布仿真云图；(f) CPU 散热测试装置与组装过程实物照片；(g) 仿真得到热界面材料有效导热系数与总热阻随热源温度的变化；(h) CPU 满负载压力测试过程中 CPU 温度变化曲线。