【摘 要】
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随着微处理器朝着小型化、高集成化、高功率密度化以及高频化发展,电子设备性能不断提升的同时,也带来了热挑战。如果不能及时排除废热,将严重影响电子产品的性能、可靠性和使用寿命。高效的热管理是解决散热问题的关键,其中填充于芯片和均热板之间以及均热板和散热器之间去增强热耦合的热界面材料是热管理的核心材料。商业上,传统热界面材料的制备方法是共混聚合物基体和导热填料,由于聚合物基体的热导率极低（0.1~0.3
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随着微处理器朝着小型化、高集成化、高功率密度化以及高频化发展,电子设备性能不断提升的同时,也带来了热挑战。如果不能及时排除废热,将严重影响电子产品的性能、可靠性和使用寿命。高效的热管理是解决散热问题的关键,其中填充于芯片和均热板之间以及均热板和散热器之间去增强热耦合的热界面材料是热管理的核心材料。商业上,传统热界面材料的制备方法是共混聚合物基体和导热填料,由于聚合物基体的热导率极低（0.1~0.3 W m-1K-1）,往往需要填充超过40~50 vol%的导热填料才能形成有效的热传递通道。但是,高的填充含量不仅带来更高的成本,更会牺牲聚合物基体的柔顺性。对于热设计,热界面材料的柔顺性也是不可或缺的,其不仅可以有效降低接触热阻,并且能有效缓解应力集中,避免器件翘曲失效。如何实现高导热和柔顺性共存是制备高性能热界面材料的瓶颈问题。本课题聚焦于解决热界面材料高导热和柔顺性难以兼顾的难题,以碳基热界面材料为研究对象,通过构建取向导热结构,对碳基填料进行功能化改性,对聚合物基体的柔顺性进行设计,去制备具有高导热高柔顺性的热界面材料。论文研究内容包括以下两个部分:（1）高导热高柔顺石墨/聚丁二烯热界面材料的制备及性能研究本章我们通过对导热石墨膜和聚丁二烯进行交叉层叠的策略去实现热界面材料高导热和柔顺性的共存。制备出的取向石墨/聚丁二烯热界面材料（VGP/PB TIM）不仅展示出极高的通面热导率（64.90 W m-1 K-1）,还具有类似于生物软组织的柔顺性,在50%压缩应变下的最大应力仅为93 k Pa,以及出色的压缩回弹性能（储能模量220 k Pa,力学损耗因子0.226）。这些优异的性能得益于交叉层叠策略,其不仅可以实现石墨膜在聚丁二烯中的垂直贯穿取向,并能最大限度地减少填料对聚丁二烯本征力学性能的影响。其次,我们通过对石墨膜表面进行等离子轰击、十二烷基三甲氧基硅烷接枝功能化处理,有效的降低了石墨膜和聚丁二烯之间的界面接触热阻,并且增强了两者之间的界面结合。此外,将V-GP/PB TIM用于实际芯片散热验证中,其不仅展示出优秀的散热能力,还显示出优异的散热稳定性,相比于纯的聚丁二烯橡胶垫片,使芯片温度相对降低了约158℃。此外,交叉层叠策略和功能化改性方法也为同类型导热填料制备高性能热界面材料提供了启发,例如,氮化硼膜、碳纳米管膜。最后,这种简单的制备工艺具备批量化生产的可能,有望在不久的将来实现商业化应用。（2）柔顺性可调高导热碳纤维/硅橡胶热界面材料的制备及性能研究本章我们以碳纤维和加成型硅橡胶为研究对象,基于在加成型硅橡胶基体中构造碳纤维垂直取向阵列的策略,制备出的取向碳纤维/硅橡胶热界面材料（CF/SR TIM）在碳纤维填充量仅为20 vol%时,通面热导率高达43.47 W m-1 K-1。与此同时,我们通过调节加成型硅橡胶的交联密度,进一步降低了CF/SR TIM的接触热阻,并且制备出了能适用于不同封装压力的高导热高柔顺性热界面材料,对于柔顺性最好的20 vol%-CF/SR TIM,在35%压缩应变下的最大应力仅约为35 k Pa,类似于生物软组织,并且还具有良好的回弹性能,在10次最大压应变为40%的压缩回弹循环后的回弹率高达85%。其次,我们通过在CF/SR TIM表面覆盖功能化涂层去增强面内方向的导热,使其总热阻下降将近一倍。此外,将功能化涂层处理后的CF/SR TIM用于实际芯片散热验证中,其展示出了优异的散热性能和散热稳定性,相比于13 W m-1 K-1的商业化产品,在30 W热功耗下使芯片温度相对降低了66°C。最后,我们基于取向结构去调控聚合物基体力学特性的策略为制备高性能热界面材料开辟了一条蹊径。
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