金刚石/液态金属热界面材料，散热效率翻倍！

摘要：随着高功率电子设备和高度集成的半导体芯片的快速发展，电子元件的功率密度急剧上升，由此产生的热管理挑战对电子设备的正常运行产生了重大影响，甚至可能缩短其使用寿命。为了解决这些散热问题，高性能的导热界面材料（TIMs）在热管理中至关重要。传统的TIMs通常由填充有

随着高功率电子设备和高度集成的半导体芯片的快速发展，电子元件的功率密度急剧上升，由此产生的热管理挑战对电子设备的正常运行产生了重大影响，甚至可能缩短其使用寿命。为了解决这些散热问题，高性能的导热界面材料（TIMs）在热管理中至关重要。传统的TIMs通常由填充有高导热性微粒的聚合物基体组成。

然而，聚合物基体的固有热导率非常低，从而限制了在高热通量应用中的效果。因此，开发高性能的TIMs已成为迫切需求。与传统的基于聚合物的TIMs（

近日，中国科学院宁波材料所林正得、薛晨团队联合浙江工业大学胡晓君团队，通过机械混合EGaInSn与表面金属化的金刚石微粒（涂有Cr/Cu双层）制备了液态金属复合材料。团队首先在金刚石微粒表面涂覆一层薄薄的铬层，然后通过磁控溅射结合流化床技术，在其外部包覆一层铜，形成表面金属化的金刚石颗粒（SMDP）。通过机械混合EGaInSn与表面金属化的金刚石微粒（涂有Cr/Cu双层）制备了液态金属复合材料，并且还检查了两种不同粒径组成的效应。在金刚石含量为50vol%（小/大颗粒：10/40vol%）的情况下，金刚石/液态金属TIMs的热导率为117.8±1.0 W/mK。TIM性能测试表明，该复合材料的冷却效率比商业液态金属产品高约1.9倍。研究成果以“Surface-metallized diamond/liquid metal composites through diamond size engineering as high-performance thermal interface materials”为题发表在《Surfaces and Interfaces》期刊。

图1. (a) SMDP/LM复合材料的制备过程示意图。(b) BDP和SMDP的照片。(c) EGaInSn基体的照片，(d) SMDP/LM复合材料的照片。(e) BDP和(f) SMDP的共聚焦激光扫描显微镜图像。(g) 低倍率和(h) 高倍率下SMDP的扫描电子显微镜(SEM)图像，(i) 相应的能量色散X射线光谱(EDS)映射。(j) BDP/LM复合材料的SEM图像，(k) 相应的EDS映射。

图2. (a) 低倍率和 (b), (c) 高倍率下BDP/LM复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图像。含有金刚石含量为 (d) 40; (e) 50; (f) 60体积% (金刚石尺寸: 400 – 450 μm) 的L-SMDP/LM导热界面材料(TIMs)的SEM图像；(g) 示意说明在含有60体积%金刚石的复合材料中观察到的孔洞和空隙。通过金刚石尺寸工程制备的m-SMDP/LM TIMs，金刚石含量为 (h) 50体积% (小/大: 10/40体积%) 和 (i) 52体积% (小/大: 12/40体积%)。

图3. 我们的导热界面材料(TIMs)的热导率和热扩散系数随金刚石含量的变化：(a) 含有400 – 450 μm金刚石的L-SMDP/LM；(b) 固定大金刚石含量为40体积%且小金刚石含量可变的m-SMDP/LM（尺寸：200 – 250 μm）。(c) 在相同含量（50体积%）下，通过金刚石尺寸工程处理的BDP/LM和SMDP/LM之间的热导率比较。(d) 通过金刚石尺寸工程实现的SMDP/LM优越的传热能力的机制。(e) 热导率的环境温度依赖性以及(f) 我们TIMs的优异热循环稳定性。传热性能测试：(g) 测量配置；(h) 红外图像随加热时间的变化；(i) 相应的表面温度演变。