前沿应用|低场核磁技术表征热界面材料(TIMs)柔韧性，助力国产芯片工业发展

背景

随着芯片朝着微型化和集成化方向发展，热管理对于进一步提高电子设备性能变得极为重要。由于芯片和散热器之间的表面粗糙度不一致，它们之间的空气间隙会导致巨大的热阻。热界面材料(TIMs)用于填充芯片和散热器之间的间隙以降低热阻(图1)。通常，在实际操作中使用的TIMs需要具有较高的热导率。与金属
TIMs和碳基TIMs相比，聚合物基TIMs由于其成本低、操作性好、可靠性高，目前是最常用的芯片冷却材料。考虑到不断增大的芯片尺寸会引起的显著翘曲，不仅需要TIMs具有较高的热导率，而且需要其具有良好的柔韧性。 然而，聚合物基TIMs的两种特性——热导率和柔韧性通常是负相关的，通常提高热导率需要较高的填料含量，但这会牺牲柔韧性。

在这篇应用中，中国科学院深圳先进技术研究院的曾小亮课题组通过在PDMS网络中引入悬挂链来制备含有功能基团聚二甲基硅氧烷（PDMS）和铝粉（Al）的TIMs。悬挂链的存在会减少分子间相互作用，从而减少缠结。他们研究了悬挂链含量对PDMS基TIMs柔性性能的影响。该工作提供了一种设计用于芯片冷却的柔性TIM的实用方法。

图1：芯片系统示意图

图2：添加不同悬挂链的聚合物的弛豫时间

该课题组使用半岛(中国)分析仪器股份有限公司生产的低场核磁设备VTMR20-010V-I，对添加了不同悬挂链含量的聚合物进行了T2弛豫时间的测量，从图2中可以看出，随着悬挂链含量的增加，T2弛豫时间增大，表明样品中悬挂链含量越多，聚合物链的柔顺性越高。

该课题组提出了一种通过在聚合物网络中引入悬挂链的解决策略，制备了具有高热导率（4.50 W/m•k）和优异柔韧性的TIMs（伸长率104%，杨氏模量0.24 MPa）。低场核磁测试在该应用中发挥了重要作用。

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参考资料

Yongdong Wu, Chenxu Zhang, Wendian Tu, Guoping Du, Xiaoliang Zeng, Rong Sun, Yonglun Xu, Linlin Ren,Compliant thermal interface materials via introducing pendent chains into polymer networks for chip cooling,Composites Communications,Volume 37,2023,101452,