自组装单分子膜实现高填充热界面材料中热阻同步降低的新突破

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自组装单分子膜实现高填充热界面材料中热阻同步降低的新突破（ DOI: 10.1002/adfm.202402276）

一、研究背景

随着电子设备向高集成度、高功率密度方向发展，热管理成为制约其性能和寿命的关键瓶颈。热界面材料（Thermal Interface Materials, TIMs）作为连接热源与散热器之间的“热桥”，其性能直接影响整个热管理系统的效率。

传统TIM的性能由两个核心参数决定：

• 体热阻（RB）：与材料厚度（BLT）成反比，与热导率成正比；
• 接触热阻（RC）：与界面接触质量密切相关。
  
  
  
  

在高填充（>76 vol%）条件下，提高填料热导率虽可降低RB，但往往导致材料变硬、界面接触变差，从而反而增加RC。因此，如何在高填充条件下同时降低RB与RC，成为TIM领域亟待解决的难题。

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二、研究创新点

本研究首次提出利用自组装单分子膜（Self-Assembled Monolayers, SAMs）对Al₂O₃填料进行表面修饰，从分子层面调控填料与基体之间的界面行为，实现了：

• RB降低一个数量级（从2.265降至0.114 K·cm²/W）；
• RC降低81.2%（从0.29降至0.055 K·cm²/W）；
• 有效热阻抗（REFF）最低达0.169 K·cm²/W，相比未处理样品提升10倍；
• 热稳定性优异，在1000次热冲击循环后性能几乎无衰减。
  
  
  
  

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三、SAMs作用机制解析

1. 降低表面能，改善分散性

SAMs修饰后，Al₂O₃表面能从40.17 mJ/m²降至16.81 mJ/m²，显著削弱颗粒间范德华力，抑制团聚，提升在硅油基体中的分散均匀性。

2. 降低屈服应力与复模量

• 屈服应力从252.2 Pa降至23.0 Pa；
• 复模量下降45%以上；
• 材料更易在低压下流动，显著降低BLT（从619 μm降至38 μm）。
  
  
  
  

3. 强化界面结合，降低RC

SAMs通过形成Al-O-Si共价键，增强填料与基体之间的界面相容性，降低界面热阻。同时，柔性烷基链可吸收界面热应力，提升热循环稳定性。

4. 碳链长度的调控作用

• 短链（C4）SAMs：更有利于降低RB和REFF；
• 长链（C18）SAMs：增强界面柔韧性，降低RC，但会略微增加RB；
• 最优链长需根据应用场景权衡，本研究中C4链表现最佳。
  
  
  

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四、实际应用性能验证

研究团队采用T3Ster热测试系统对SAM-TIM进行实际芯片-散热器界面测试：

• 芯片温度降低3°C以上；
• 热成像显示热分布更均匀；
• 在21 W/cm²热流密度下，性能优于商用TIM（κ=3.2 W/m·K）；
• 1000次热循环后性能稳定，具备优异可靠性。
  
  
  

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五、研究意义与前景

本研究不仅突破了高填充TIM中“热导率↑ → 接触性能↓”的传统瓶颈，还为以下方向提供了新思路：

• 分子界面工程在热管理材料中的应用；
• SAMs作为填料表面调控的通用策略；
• 为5G通信、功率电子、LED等高发热器件提供高效热管理解决方案；
• 未来可拓展至BN、SiC、AlN等其他陶瓷填料体系，进一步提升热导率与界面性能。
  
  
  

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六、结语

通过自组装单分子膜技术，本研究成功实现了高填充TIM中体热阻与接触热阻的同步优化，为下一代高性能热界面材料的开发提供了理论基础和实验路径。随着电子器件热流密度的持续提升，这种**“分子级界面调控”策略**将在热管理领域展现出更广阔的应用前景。