来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202531931

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背景介绍

现代电子器件向高功率、高集成化发展，FinFET 向栅极全环绕纳米片演进带来严峻热挑战，微小温升即会降低器件稳定性和寿命，热界面材料（TIMs） 是芯片 - 散热器热传导的核心关键材料。TIMs 的有效热阻 REFF = RB（体相热阻）+ RC（接触热阻），其中RB=BLT/κTIM，RC为 TIM 与固体界面的接触电阻之和；提升填料负载是提高κTIM、降低RB的常规手段，但高填料负载（>70 vol%）会使复合材料模量提升 1-2 个数量级，降低柔顺性和润湿性，增加 BLT 和RC，形成RB 与 RC 的固有性能权衡。自组装单分子层（SAMs）可实现分子级的表面能调控，但现有研究未系统阐明 SAMs 链长对高负载 TIMs 的分散、流变、界面力学及宏观热性能的传导机制，缺乏可落地的分子设计规则。

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成果掠影

近日，中国科学院福建物质结构研究所林悦与宁波材料所林正得联合团队提出“表面能匹配”为核心设计法则，通过分子层面的界面调控，实现了高填充导热材料在“可压薄性”与“界面贴合性”上的协同优化，显著降低了有效热阻。以硅基 TIMs 为研究对象，将C1–C18 烷基硅烷自组装单分子层（SAMs） 接枝到羟基化 Al₂O₃填料表面，系统探究 SAMs 烷基链长对填料表面能、分散性、流变学及器件级热性能的调控规律，发现C4 链长实现填料与硅基体的最优表面能匹配，使相对粘附功 ΔWₐ降至 0.25 mJ/m²，在 60 psi 压力下 BLT 从无修饰的～608 μm 骤降至～20 μm，C4处的高耗散“分子弹簧”结合了低界面模量和最大粘附力，从而抑制了接触电阻；最终该配方的 TIMs 在 78 vol% 高填料负载下获得0.142 K・cm²/W 的超低有效热阻（REFF），同时研究建立了氧化物填充 TIMs 从分子结构到宏观性能的通用设计规则，即通过调控 SAMs 链长实现填料 - 基体表面能匹配，可协同优化体相电阻（RB）和接触电阻（RC），为高功率电子热管理界面设计提供了可落地的分子工程策略。研究成果以“Surface-Energy-Matched Interfaces as Key Design Rule for Ultra-Low-Resistance Thermal Interface Materials” 为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读