来源 | Advanced Materials Interfaces

链接 | https://doi.org/10.1002/admi.202500041

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背景介绍

界面对于热传导来说就像一个“恶魔”，如何降低两个固体表面之间的接触热阻是电子封装中的一个典型问题。凭借高热导率和良好的流体特性，液态金属镓及其合金作为高性能热界面材料（TIM）已经崭露头角。然而，由于界面间结合力和热载流子的差异，液态金属的物理涂覆在热性能上仍然远不如焊料焊接。以往的报道主要集中在通过添加固体填料和构建渗透网络来提高液态金属TIM的热导率。然而，提高热导率对降低Rc的贡献有限，而液态金属TIM的主要障碍是液态金属与固体材料之间的大热边界电阻Rb，约占Rc的60-90%。在空气中，镓滴在铜表面几乎是球形的，较差的润湿性使得镓难以进入纳米/微米级的空隙，从而导致大的Rb。最近的研究发现，通过化学过程在界面形成金属间化合物可以大大改善液态金属与固体金属之间的润湿性，推测，这种界面处理方法将同时改善界面热传导。然而目前还没有关于金属间化合物辅助的液态镓/固体金属界面热特性的研究，特别是从微/纳米级理论分析和界面热传导实验测量的角度。

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成果掠影

近日，清华大学航天航空学院曹炳阳教授团队通过在液态镓/固态铜界面自合成金属间化合物，首次实现了热边界电阻的数量级降低，从1.11×10⁻⁷ (m²K)/W降至6.94×10⁻⁹ (m²K)/W。这种显著的热传导改进归因于热载流子从声子转变为电子，以及结合力从范德华力转变为金属键，这一点通过微观声子和电子扩散失配模型进行了彻底分析，并辅以分子动力学模拟。芯片应用表明，借助金属间化合物刷涂液态金属可以获得与InSn焊料焊接相当的界面温差（10.2°C），远小于传统氧化方法（30.1°C）。这项研究提供了对镓/铜界面电子/声子传输的全面理解，并促进了液态金属热界面材料的热传导性能的巨大提升。研究成果以“Improving the Thermal Performance of Liquid Metal Thermal Interface Materials: The Role of Intermetallic Compounds at the Gallium/Copper Interface”为题发表在《Advanced Materials Interfaces》期刊。

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图文导读

图1.CuGa2过渡层增强液态镓/铜界面热传输（a）化学处理工艺；（b）SEM图；（c）接触角；（d）润湿性；（e）界面热阻；（f）接触热阻；（g）微观传热机理。 

图2.界面热阻的实验测试和理论分析（a）样品A；（b）未处理样品A的测试；（c）HCl处理样品A的测试；（d）样品B的结构和测试；（e）样品B的原始数据；（f）未处理样品A的原始数据；（g）HCl处理样品A的原始数据；（h）Ga/CuGa2/Cu的理论界面热阻；（i）Ga/Ga2O3/Cu的理论界面热阻；（j）实验和理论界面热阻比较。

图3.Ga/Cu的界面润湿特性（a）润湿力测试示意；（b）铜棒的力平衡示意；（c）润湿力结果；（d）分子动力学模拟的几何模型；（e）润湿和扩散过程；（f）原子分布；（g）原子在z=3.05 nm～3.25 nm范围内的分布。

图4.不同热界面材料的比较（a）不同样品的结构；（b）热扩散系数；（c）接触热阻；（d）接触热阻随温度变化；（e）被测模块；（f）ΔT随时间的变化；（g）芯片温度随时间的变化。