过热问题是限制微电子器件进一步集成化、高密度化、小型化发展的关键。具有优异散热能力的热界面材料(TIMs)可以桥连热源和散热器,实现热流的定向耗散。其中,以环氧树脂为基体的TIMs具有高粘接、力学强度高、电绝缘等优势,可以有效降低接触热阻并提升电子设备的可靠性。然而,环氧树脂较低的热导率和各向同性分散的导热填料的散热能力有限。另一方面,环氧树脂的高粘结性和不溶不熔特性也不可避免地加剧“电子垃圾”问题。因此,开发兼具高导热和可回收的环氧TIM具有重要意义。
中科院宁波材料所刘小青研究员一直致力于可持续热固性树脂研究,创制了系列高性能生物基热固性树脂(Prog. Polym. Sci., 2021, 113, 101353; Green Chem., 2021, 23, 8643; Chem. Eng. J., 2022, 428,131226; Compos. B: Eng., 2020, 190, 107926),并发展了新的热固性树脂高值回收方法(碳回收、全组分回收)和多种功能性复合材料(Adv. Mater., 2022, 2209545; Small, 2022, 18, 2202906; Nano Energy, 2022, 100, 107477; ACS Nano, 2021, 15, 12, 19490-19502; Chem. Eng. J., 2023, 460, 141882; Compos. Sci. Tech., 2023, 238, 110028)。
图3. 复合材料的各向异性导热对比、有限元模拟结果
图4. 复合材料用作TIM时的散热性能和循环稳定性
由于环氧基体较低的玻璃化温度和键交换温度,环氧TIM可以在适当温度下产生触变性,从而填充粗糙表面,逐渐降低接触热阻。所计算的接触热阻为3.74 × 10-5 K m?2 W?1,接近商售硅脂的2.82 × 10-5 K m?2 W?1。由于较高的面内导热和较低的接触热阻,该TIM可以将芯片的中心热量扩散至整个平面,从而增加散热面积。在等时间内,环氧TIM对应的中心温度相比填料含量近似的商售硅脂(1 W m-1K-1)低20 ℃。
此外,得益于多重不稳定键赋予的可分级降解性,该复合材料能在使役周期结束后,在温和的化学条件下形成多相水解体系,实现全组分回收。经计算,BN回收率高达96.2%,其它原料回收率为73.6%-82.4%。本工作为可持续TIM材料的设计和全组分回收提供了思路。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143963
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