热界面材料热阻模型和导热强化研究

摘要

为消除电子器件内固体接触界面的接触热阻，通常在界面间填充热界面材料(TIM)。填充后，界面处仍然形成了固-TIM-固三层结构，产生较大的热阻Rj。Rj包括两部分：TIM体热阻Rbulk和TIM-固接触热阻Rc。因此，影响Rj的因素有：TIM热导率(kTIM)，TIM厚度(BLT)和Rc。目前，工业中为提高kTIM，在TIM中填充新型的导热颗粒，然而简单的填充方法无法充分利用新型颗粒的形状和导热特性，导致kTIM提升不明显。另外，工业中需准确预估体热阻Rbulk和接触热阻Rc值，但是，目前缺乏BLT和Rc的预测模型或测试手段。针对上述总结的问题，本文展开了如下研究工作：
　　TIM属于复合材料，详细研究了经典复合材料热传导模型，包括Maxwell-Garnett(M-G)模型，Bruggeman非对称(BA)模型，平均介质近似(EMA)模型和有限差分(FD)模型。理论研究表明，颗粒的微结构(排布和分布)和颗粒/母体间界面热导(Gint)是影响复合材料导热性的关键因素。基于此，本文提出了几种TIM制备工艺，通过调控微结构或界面热导，提升TIM导热性。
　　为使TIM中形成理想微结构，借助磁响应填充颗粒，通过特定的磁场控制颗粒在TIM中成型。磁响应颗粒的制备方法是：以六方氮化硼(h-BN)为导热颗粒，将顺磁性纳米四氧化三铁(Fe3O4)颗粒通过静电力法附着在h-BN表面，得到具有磁性的h-BN@Fe3O4复合颗粒。接着，通过磁场控制h-BN@Fe3O4在TIM中的排布方向或者位置。由此制得的TIM展现出良好的导热性。
　　为增大颗粒/母体界面热导Gint，借助自组装分子膜(SAM)对界面进行改性。对于铜/树脂界面，采用的SAM为巯基-十一胺盐酸盐，SAM一端的巯基和铜形成硫-铜共价键，另一端的氨基能打开环氧树脂的环氧基团形成共价键。改性后，Gint增大11倍。
　　基于图像测距原理，搭建了一个非接触式测长系统，用于测量BLT。测试精度控制在±3.5μm左右。建立了一个Rc预测模型。为验证模型，搭建了一个热界面测试系统。将铝-TIM接触界面Rc测量值和模型预测值进行比较，发现两者匹配较好，它们的偏差小于14.3％。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 待解决的关键科学和技术问题

1.4 研究思路

2 热传导模型

2.1 均质模型

2.2 平均介质近似模型

2.3 有限差分模型

2.4小结

3 微结构调控

3.1 磁响应颗粒

3.2 颗粒排布方向控制

3.3 颗粒分布控制

3.4小结

4 界面调控

4.1 界面改性

4.2 界面热导测试

4.3界面表征

4.4界面键能对界面热导的影响

4.5界面调控应用前景

4.6小结

5 热界面材料厚度测试系统

5.1系统搭建

5.2系统准确度和精度

5.3小结

6 TIM-固接触热阻模型

6.1预测模型

6.2 热界面测试系统

6.3 模型验证和讨论

6.4 小结

7总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间第一作者发表论文

附录2 旋转磁场临界频率计算

附录3局部热源散热系统有限元分析

附录4铜微球表面修饰方法

附录5 攻读博士学位期间学术交流

附录6 攻读博士学位期间授权专利