來源|jmr&t Journal of Materials Research and Technology

01

背景介紹

熱管理對于芯片、發光二極管(LED)、5G通信等電子電氣設備的發展至關重要。電子器件產生的熱量必須迅速運走，從而防止設備運行過程中出現故障。由于器件之間表面接觸不完全，因此在熱源與散熱器的界面處總是出現氣隙，此時空氣的導熱系數(Tc)僅為0.026 W/(mK)，阻礙了熱量從熱源向散熱器的有效傳遞。通過應用熱界面材料(TIMs)填充氣隙，可以降低界面處的接觸電阻。

由于聚合物低的固有導熱系限制了材料的應用，因此聚合物基TIMs通過填充導熱顆粒以提高材料的導熱性能，常見的導熱填料如AlN (360 W/(mK))，BN(250-300W/(mK))，碳纖維(1100 W/(mK))，碳納米管(3000 W/(mK))和石墨烯(5300 W/(mK))。鎵(Ga)基液態金屬(LM)由于其高導熱性而引起了熱管理領域的廣泛關注，LM也被應用于電子領域的TIMs。

然而，LM的表面張力過高，無法濕潤熱源和散熱器的表面，并且LM泄漏導致器件短路的風險很大。因此，芯片表面涂漆困難和漏電引起的短路成為液態金屬應用的瓶頸。目前研究人員采用Cu、Fe、Ni、Mg、Ag、W等金屬顆粒作為填料，以減少泄漏，提高LM的導熱系數。但是，目前報道的大多數金屬顆粒會形成金屬間化合物，導致LM基TIM失效。

在LM中填充高導熱半導體，如金剛石和Al2O3，可以提高粘度和導熱性，同時也可以解決LM泄漏問題。然而，BN與液態金屬復合材料尚未成功制備，這可能是由于Ga的高表面張力與BN的低表面能不匹配。為了克服LM的高表面張力問題，目前的研究重點是利用氧化鎵(Ga2O3)降低LM的表面張力，但這會降低LM的導熱系數。因此如何調節表面張力而且不影響LM的導熱系數是目前的研究方向之一。

02

成果掠影

近期，

天津理工大學趙云峰教授、蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強聯合河北工業大學鄧齊波教授在制備具有低表面張力和優異熱導率的LM取得新進展。

高表面張力使得LM和填料難以很好地混合以制備用于熱界面應用的復合漿料。該團隊研究發現摻雜鎢(W)納米粒子可以使LM在氮化硼(BN)丸表面的接觸角從133°降低到105°，表明摻雜W納米粒子可以降低LM的表面張力。LM、W和BN的加入順序會影響復合材料的最終形態，而W納米粒子必須先與LM (LM+W)混合才能得到復合漿料(LM +W-BN)。相比之下，其他添加序列或不添加W納米顆粒只能得到復合粉末。LM +W-BN的導熱系數高達14.49 W/(mK)，并對LM +W-BN材料在壓力、高溫、熱沖擊和高濕條件下的穩定性進行了詳細研究，樣品具有良好的

綜合

性能。通過在發光二極管(LED)模塊中的應用，LM +W-BN漿料顯示出作為熱界面材料(TIM)的優異熱管理能力。這種方法也被擴展到其他導熱填料，包括碳纖維和石墨烯。這項工作提供了一種簡單的方法來降低LM表面張力，也可能使其他填料的結合，擴大LM的使用，如集成電路和柔性電子產品。

研究成果以“Enhanced thermal conductivity of liquid metal composite with lower surface tension as thermal interface materials”為題發表于《jmr&t Journal of Materials Research and Technology》。

該成果是蘇州泰吉諾新材料有限公司在高性能熱界面材料產學研方面的一個縮影，泰吉諾將堅守企業責任，以客戶需求為導向，不斷在高性能熱界面材料領域開展前沿研究，為客戶提供性能更優良的原創產品。

03

圖文導讀

圖1.液態金屬的制備流程示意圖。

圖2.(a)理想固體基質上的一滴液體，(b) BN，(c) BN + W，(d) W，(e) BN-LM- W液態金屬的潤濕角。

圖3.不同倍數的 LM-BN-W的SEM微觀結構以及EDS能譜。

圖4.不同倍數的 LM+W-BN的SEM微觀結構以及EDS能譜。

圖5.(a)不同復合材料的導熱系數圖，(b)LM+W-BN復合材料的導熱系數BN含量為0-12 wt%，(c) BN含量為0-12 wt%時LM+W-BN復合材料的熱阻，(d)LM+W-BN復合材料的導熱系數的溫度依賴性。

圖6.(a) LM- CF的SEM圖像，(b) LM + W-CF的SEM圖像，(c) LM- CF和 LM + W-CF復合材料的導熱系數，(d) LM- CF和 LM + W-CF復合材料的熱阻。

圖7.(a) LM- GR的SEM圖像，(b) LM + W-GR的SEM圖像，(c) LM- GR和 LM + W-GR復合材料的導熱系數，(d) LM- GR和 LM + W-GR復合材料的熱阻。

圖9.(a)高溫， (b)熱沖擊， (C)高溫高濕條件下LM+W-BN材料3周的老化實驗圖。

圖10.(a)不加TIM、LM- BN和LM+ W-BN時的LED芯片溫度變化情況，(b)不加TIM、LM- BN和LM+ W-BNN時的表面溫度變化情況。

END

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審核編輯黃宇