通过直接墨水书写技术在基于聚二甲基硅氧烷的热界面材料中构建优化了热传导路径的结构

《Science Bulletin》：Architecting optimized thermal conduction pathways in colonnade-structured polydimethylsiloxane-based thermal interface materials by direct ink writing

三维打印技术制备层状柱廊结构PDMS基热界面材料显著提升热导率和降低热阻。该材料通过上下面层硼氮纳米片（BNNS）横向定向排列增强水平导热，中间层还原氧化石墨烯（rGO）纵向定向排列促进竖直导热，形成三维协同热传导网络。相较于传统随机分布或单一方向排列的TIM，其热导率提升约2.8倍，热阻降低40%以上。

　　

阮坤鹏|田圆圆|田玉佳|李沐坤|周坤|顾俊伟

西北工业大学化学与化工学院，中国西安710072

摘要

芯片发热量的迅速增加对热界面材料（TIMs）提出了更高的要求，需要更高的热导率和更高效的热传导路径。本文提出了一种新的TIMs设计策略，该策略将热传导分为三个阶段：水平分布、垂直传递和水平散发。我们采用直接墨水书写三维打印技术，制备了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的TIMs，其结构受到柱廊的启发。顶部和底部的“走廊”由氮化硼纳米片（BNNS）/PDMS复合材料构成，BNNS填料在平面内方向排列以增强横向热传导；中央的“柱子”层由还原氧化石墨烯（rGO）/PDMS复合材料构成，rGO填料在垂直于平面方向排列以促进垂直热传导。与传统的基于PDMS的TIMs（其中填料随机分布或仅具有平面内排列的夹层结构）相比，我们制备的柱廊结构PDMS基TIMs表现出显著提高的热导率和降低的热阻。

引言

第五代技术的出现极大地提高了微电子设备的集成密度，导致高功率组件（如先进芯片）产生大量热量[1]、[2]、[3]。散热效率低下会导致热故障，严重限制设备的稳定性和寿命[4]、[5]、[6]。因此，有效的热管理已成为微电子设计中的关键考虑因素[7]、[8]。热界面材料（TIMs）在促进异质界面之间的高效热传导方面发挥着核心作用[9]、[10]。通常，TIMs由嵌入导热填料的柔软聚合物基质组成，这些填料能够贴合填充芯片和散热器之间的微观界面空隙，从而在运行过程中促进热传导[11]、[12]、[13]。其效率直接影响设备的可靠性和性能[14]、[15]、[16]。因此，提高TIMs的散热能力已成为一个关键的研究方向。

提高TIMs散热能力的一种常见方法是通过加入高含量的导热但电绝缘的填料（如氧化镁（MgO）[17]、氧化铝（Al₂O₃）[18]、氮化铝（AlN）[19]和氮化硼（BN）[20]）到聚合物中（如硅橡胶[21]、聚乙二醇[22]或聚乙烯醇[23]），从而增加其热导率（λ）。Liu等人[24]制备了一种具有优异热导率和电绝缘性能的BN/天然橡胶（NR）复合材料。当BN含量为25 wt%时，该复合材料的λ值为0.79 W m^?1 K^?1，是纯NR（0.18 W m^?1 K^?1）的3.4倍；其体积电阻率为1.0 × 10¹⁵ Ω cm，与纯NR的体积电阻率（5.0 × 10¹⁵ Ω cm）相当，并远超过电绝缘标准的临界值（1.0 × 10⁹ Ω cm）。然而，仅增加填料含量并不能保证散热效果的显著提升，因为热传导还取决于热传导路径的连续性和取向[25]、[26]、[27]。

在传统的TIMs中，填料随机分布，导致热传导路径无序且效率低下[28]、[29]、[30]。最近的进展表明，通过控制填料的取向可以有效构建热传导路径并显著提高TIMs的热导率[31]、[32]、[33]。Song等人[34]利用定向冷冻干燥技术在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中制备了垂直排列的BN纳米带阵列，实现了4.57 W m^?1 K^?1的垂直热导率（λ_⊥），是随机分布的BN/PDMS复合材料（1.76 W m^?1 K^?1）的1.6倍。同样，Chen等人[35]通过剪切流定向使碳纤维沿复合材料的厚度方向排列，提高了TIM的λ_⊥值。在我们之前的工作中[36]，我们采用原位生长-高温碳化工艺制备了具有磁响应性和导热性的异质结构氮化硼纳米片（H-BNNS）@Ni填料。通过磁场定向方法制备了BNNS@Ni在平面内有序排列的导热H-BNNS@Ni/PDMS复合材料。当BNNS:Ni的质量比为8:1且BNNS@Ni的质量分数为50 wt%时，H-BNNS@Ni/PDMS复合材料的平面内热导率λ_||达到5.50 W m^?1 K^?1，远高于相同BNNS@Ni质量分数但在PDMS基质中随机分布的R-BNNS@Ni/PDMS复合材料（4.76 W m^?1 K^?1）。然而，仅在一个方向上排列填料的TIMs存在局限性：平面内排列促进了横向热传导，但限制了向散热器的垂直传导；而垂直于平面的排列虽然促进了垂直传导，但无法确保其均匀性，导致局部热量积聚。这些缺点凸显了需要集成热传导路径设计的需求，以结合平面内和垂直于平面的取向，实现高效且水平均匀的热散发。

受到柱廊结构的启发（该结构结合了水平走廊和垂直柱子），我们提出了一种新的TIMs热传导路径设计：首先是水平热分布，然后是垂直传递，最后是水平散发。我们利用直接墨水书写（DIW）三维（3D）打印技术，制备了具有这种柱廊结构的PDMS基TIMs。顶部和底部的“走廊”由BNNS/PDMS复合材料构成，其中BNNS在平面内排列；中央的“柱子”层由还原氧化石墨烯/PDMS（rGO/PDMS）复合材料构成，rGO在垂直于平面方向排列。柱廊结构的特点不仅在于填料在空间中的排列，还在于有意形成了垂直连续的承重热柱，从而同时促进了垂直于平面的热传输和在预定义层次结构中的平面内热扩散。我们系统研究了填料含量和结构设计对热导率、热阻以及整体热管理性能的影响，并最终阐明了柱廊结构PDMS基TIMs的热传导机制。

章节摘录

BNNS/PDMS和rGO/PDMS墨水的制备

可进行DIW打印的BNNS/PDMS墨水是通过称量适量的BNNS填料、PDMS基质、固化剂和SiO₂流变改性剂制备的，然后将这些材料转移到干燥烧杯中。在室温下机械搅拌混合物，直到BNNS和SiO₂在PDMS基质中均匀分散。rGO/PDMS墨水的制备过程相同，只是将BNNS替换为rGO作为导热填料。

柱廊结构PDMS基TIM的制备

柱廊结构PDMS基TIM的制备过程如下：

BNNS/PDMS和rGO/PDMS墨水的流变性能

在DIW 3D打印过程中，打印墨水会经历从挤出到固化的转变，这对墨料的流变性能有特定要求。首先，墨料必须具有一定的表观粘度，以防止BNNS或rGO填料在打印部件内自发沉积导致分布不均。其次，墨料必须具有显著的剪切稀释特性，以确保从喷嘴中平稳连续地挤出。

结论

本文提出了一种新的TIMs热传导路径设计策略，强调水平热扩散、垂直热传递以及随后的水平散发。利用DIW 3D打印技术，制备了具有层次结构的柱廊结构PDMS基TIMs：顶层和底层由BNNS/PDMS复合材料构成，其中BNNS填料在平面内排列；中间层由rGO/PDMS复合材料构成，rGO在垂直于平面方向排列。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（52473083）、陕西省自然科学基础研究计划（2025JC-YBQN-587, 2024JC-TBZC-04）、陕西省创新能力支持计划（2024RS-CXTD-57）、重庆市自然科学基金（2023NSCQ-MSX2547）、航空科学基金（2024Z054053002）、中央高校基本科研业务费（D5000240067）以及西北工业大学分析测试中心的支持。