纳米热界面材料的研究进展与优化

因集成电路释放的热量持续显著增长，热量转移对于微电子系统的性能和可靠性至关重要。当前研究工作的目标是，通过使用电纺方法在纳米纤维中嵌入纳米级热传导颗粒，开发一种新型的纳米热界面材料（nano-TIM），以提高芯片和散热器/基底间的热量转移。

电纺是采用电场对复合材料溶液进行作用^[12-16]的过程。外加电场抵消了毛细管尖端（泰勒锥）的表面张力。且随着带电溶液迁入空气，溶剂会蒸发并在收集器上生成纳米纤维。电纺设备主要含有一个高电压源、一个毛细管、一个针状物和一个收集器，如图17.2所示。

在开发过程中，银和金刚砂及MWCNT的纳米颗粒，作为热导率提高剂被加入到热界面材料中。在电纺后，把热界面材料放入导电液体中浸泡，以提高其热导率和浸润性能。同时，采用差分扫描量热法和热重量分析方法来决定热界面材料能承受的最高温度。

图17.3所示为一种聚合酯纳米热界面材料的扫描电子显微镜图。而图17.4所示的分别是嵌有纳米银微粒和碳纳米管的在导电流体中浸泡过的纳米热界面材料扫描电子显微镜图。

为提高纳米热界面材料与基底的粘合力，在纳米热界面材料的形成过程中，加入了粘合剂。图17.5所示为一种带粘合功能的纳米热界面材料。通过加入粘合剂，就形成了完整的纳米热界面材料。

图17.2 电纺设备

图17.3 聚合酯纳米热界面材料的扫描电子显微镜图像

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图17.4 两种嵌入微材料的纳米热界面材料扫描电子显微镜图像

a）嵌有纳米银微粒的纳米热界面材料 b）嵌有碳纳米管的纳米热界面材料

图17.5 带粘合剂功能的纳米热界面材料

表17.1总结了与两种商业样品与各类纳米热界面材料的性能比较结果。从表中可以看出，与树脂A相比，嵌有CNT的纳米热界面材料可提供的热导率基本相似，热阻系数相差较大，最大抗拉强度高2～5倍，杨氏模量提高更多。从表中可以看出，嵌有银纳米颗粒的纳米热界面材料的热阻系数、温度操作范围和退化行为与树脂B相似；但对于机械性质，与树脂B相比，其最大抗拉强度大约高10～20倍，其弹性模量和杨氏模量高出0.5～3倍。人们认为，通过向热界面材料中添加更多的纳米银颗粒，纳米热界面材料的热导率将会进一步提高。

表17.1 与商用材料相比，纳米热界面材料的性能

总之，人们已经通过电纺制备了嵌有各种各样纳米颗粒的纳米热界面材料，且已发现纳米颗粒能提高纳米热界面材料的热传递性能。具体的提高效果取决于纳米粒颗粒的质量和数量。对纳米热界面材料的机械、热学和退化特性进行的初步研究和阐述表明，这些材料有潜力提供更好的机械和热学性质。