一种新型高导热系数的BN/硅橡胶复合薄膜材料

来源 | Chemical Engineering Journal

01 背景介绍

微纳电子器件的爆炸式增长刺激了对高性能热界面材料(TIM)的需求，以解决其过热问题。考虑到电绝缘性和柔韧性，采用高导热填料的聚合物基复合材料(包括金属、碳和陶瓷材料)受到了广泛的关注。然而，金属或碳填充复合材料的导电性不可避免的限制了其在电子器件中的应用。因此，氮化硼、氧化铝或氧化镁等具有高导热性和电子绝缘性的陶瓷填料是高性能TIM的候选填料。

其中，六方氮化硼(h-BN)由于其高平面内导热系数(理论上高达2000 W/(mK))和优异的电子绝缘而引起了特别的关注。为了有效地将热源产生的多余热量传递到散热器，理想的TIM最好具有高的垂直导热系数。到目前为止，聚合物/BN复合膜即使在高填料含量(~60 wt%)下的导热系数一般小于10 W/(mK)。然而，这种聚合物胶合填料骨架，由于简单的物理接触，相邻填料之间的界面相互作用相对较弱，这在结处造成强烈的声子散射，极大地限制了所得复合材料的导热性增强。

聚合物-六方氮化硼(BN)复合材料因其高导热性和优异的电子绝缘性而成为电子器件理想的热界面材料(TIM)。然而，由于BN填料的二维形状和化学惰性，BN的垂直排列和巨大的热阻是当前面临的挑战，阻碍了聚合物/BN复合材料的高效传热。因此开发新型的材料制备策略调控填料的排列方式是非常重要的研究方向之一。

02成果掠影

近期，复旦大学陈敏教授团队在开发高导热系数的硅基橡胶复合材料取得新的进展。该团队提出通过结合一种新型的非溶剂诱导相分离工艺“原位焊接”策略。

结果表明，室温硫化硅橡胶(RTV SR)注入后，得到的RTV SR/ W -BN复合膜在BN负载仅为15 wt%的情况下，通过面导热系数显著提高至15.4 W/(mK)。此外，有限元调制和模型拟合表明，由于焊接材料和BN填料之间的晶格结构相同，原位焊接BN- BN可以有效降低BN- BN的ITR。更重要的是，硅橡胶基体优异的可压缩性和柔韧性，保证了充分的变形，充分填补空隙，从而减少了热源与TIM之间的接触热阻，在不同压力下，该复合薄膜的接触热阻远低于商用热界面材料。该策略为现代电子器件的高性能TIM开辟了一种新颖的高通量制备策略。

研究成果以“Design of Silicon Rubber/BN Film with High Through-plane Thermal Conductivity and Ultra-low Contact Resistance”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。

03

图文导读

图1.复合膜的制备以及微观结构表征。

图2.材料的XRD结构示意图。

图3.聚合物/w-BN复合膜的热性能。

图4.RTV SR/w-BN复合膜的基本性能。

图5.复合薄膜在CPU冷却系统中的热管理性能。

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