来源 | Advanced Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adma.73894

01

背景

高效热管理已成为全球性关键挑战，热界面材料（TIM）在电子器件散热中起核心作用，主流商用导热膏（汉高 BERGQUIST TLF 10000、莱尔德 Tputty 910）导热系数仅约 10 W/mK，无法满足下一代高功率电子；传统陶瓷 / 金属填充聚合物 TIM 已达性能极限，无法同时兼顾高导热、高绝缘、高流动性。液态金属TIMs面临导热系数（TC）与电阻率（ER）之间的根本性权衡：提高液态金属含量 → 导热提升 → 电阻率急剧下降（电击穿风险）现有方案TC~6.70 W/(m·K)时ER仅~6.76×10⁹ Ω·cm；或ER达10¹⁷ Ω·cm时TC仅4.20 W/(m·K)；两者兼顾极其困难。

02

成果掠影

近日，东华大学朱美芳院士、王刚、孙恒达和中国科学院福建物质结构研究所林悦团队提出了一种界面工程策略，通过精准调控液态金属颗粒的界面张力，合成了具有双峰粒径分布结构的GaIn-B热界面材料。这种结构同时表现出非接触式网络特征，有效地防止了电渗流，同时保持了高效的热传输。GaIn-B的热导率约为16 W/mK，电阻率超过1011 ohm-cm。基于有效介质理论开发了一个唯象模型，定量描述和预测打破热电平衡的临界条件。GaIn-B合成过程的简单性和可扩展性使其能够进行公斤级生产，使其非常适合工业应用。同时建立可定量预测热电性能的理论模型，面向 AI 算力设备、大功率电力电子、柔性电子散热场景。研究成果以“Breaking Thermal Conductivity–Electrical Resistivity Trade-Off in Liquid Metal–Based Thermal Interface Materials via Interface Engineering”为题，发表于《Advanced Materials》期刊。

03

图文导读

图1、液态金属基热界面材料的性能与对比。 （a）GaIn-B、商用Tputty 910、GaIn-U和汉高TLF 6000在应用热阻（Reff）、接触热阻（Rc）、体热阻（Rb）、击穿强度、触变性和热导率（TCcom）方面的对比分析。（b）GaIn-B双峰结构示意图。（c）GaIn-U单峰结构示意图。（d）GaIn-B、商用Tputty 910、GaIn-U和汉高TLF 6000的粘接层厚度评估。此处Rb（单位：Km²W⁻¹）表示指定压力下热界面材料的理论热阻，按Rb = BLT / TCcom计算，其中BLT为给定压力和温度下的粘接层厚度。接触热阻Rc由应用热阻Reff与Rb之差获得，Reff依照ASTM D5470标准使用热阻测试仪测量。所有测量均在20 psi压力和60℃热端温度条件下进行。（e）GaIn-B和GaIn-U与先前报道基准的热导率和电阻率交叉对比。图中数字标识对应表S2中的条目。

图2、GaIn-B中双峰隔离堆叠结构的结构与成分分析。 （a）GaIn-B合成过程示意图。（b）GaIn-B和KH 590的XPS分析。（c）GaIn-B的²⁹Si NMR表征，在-68.5和-58.3 ppm处显示两个不同峰，比例约为1:1，分别对应SH-聚硅氧烷网络和SH-POSS。（d）不同KH 590比例下通过Kolmogorov理论基于界面张力得出的平均粒径与GaIn-B的SEM和Nano-CT测量值的比较。（e）GaIn-B中大小颗粒的粒径分布（KH 590比例为6 vol%），插图为Nano-CT成像（比例尺：50 μm）。（f）GaIn-B和GaIn-U的温度依赖性热导率。（g）GaIn-B和GaIn-U温度依赖性电阻率的阿伦尼乌斯分析。（h）GaIn-U的EDX谱图显示明显的单峰分布（液态金属球体：蓝色；比例尺：7.5 μm）。（i）GaIn-B的EDX谱图显示双峰颗粒分布（大球体：黄色；小球体：紫色；聚硅氧烷基体：青色；比例尺：7.5 μm）。（j）GaIn-B的SEM和EDX面分布图谱（比例尺：200 μm）。

图3、预测具有双峰颗粒分布结构的非渗流热界面材料热导率和电阻率的唯象模型。 （a）GaIn-B中液态金属液滴分布的模拟图，展示分散的小颗粒位于大颗粒之间，从而防止任何液态金属液滴的直接接触。（b）不同KH 590比例下GaIn-B的测量热导率和电阻率。（c）通过双峰粒径分布模型求解得到的不同KH 590比例下的d_SLM和vol_SLM计算值。（d）双峰粒径分布模型得到的不同KH 590比例对应的d_SO计算值。（e）GaIn-B（含6 vol% KH 590、13.70 vol%硅油和80.30 vol%液态金属）的实验测量热导率和电阻率与双峰粒径分布模型理论计算值的比较。（f）GaIn-B实验测量热导率和（g）电阻率与双峰粒径分布模型、Bruggeman、Maxwell-Garnett、串联和并联模型预测值的比较。

图4、GaIn-B（KH 590比例为6 vol%）作为热界面材料的应用。 （a）GaIn-B以2500 g批量大规模生产，可单次用于15000个LED单元、5000部智能手机或50台大功率探照灯；（b）GaIn-B的打印能力（比例尺：1.5 cm）：直径5 mm的GaIn-B点阵展示均匀分布厚度小于1000 μm；（c）LED阵列热管理示意图，GaIn-B在6887 Wm⁻²的LED阵列中经历10000次温度循环测试（开启1分钟，关闭2分钟）；（d）纯硅橡胶（右）和掺入GaIn-B的硅橡胶（左）以增强热导率的照片和红外成像（比例尺：7.5 cm；直方图均衡化颜色分布）；（e）GaIn-B的共形性和粘附性（左，比例尺：1.5 mm，左面板比例尺：400 μm；右面板比例尺：150 μm）。GaIn-B和GaIn-U的剪切应力-应变曲线（右）；（f）运行过程中有无GaIn-B封装的母板红外热像图；（g）GaIn-B高度适用于大功率逆变器上IGBT的热管理；（h）总功率20672.0 W、功率密度287.1 W/cm²条件下使用GaIn-B与商用热界面材料（莱尔德Tputty 910）的逆变器IGBT红外成像对比；（i）总功率20672.0 W、功率密度287.1 Wcm⁻²条件下使用GaIn-B与商用热界面材料（莱尔德Tputty 910）的大功率逆变器内部芯片结温对比。