隨著封裝結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜并逐漸向小型化和高功率化發(fā)展，電子產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量也隨之增加。大量的熱量聚集在這些電子元器件中無法有效排除，將嚴(yán)重影響元電子器件的性能和壽命。提高封裝芯片散熱的有效方法是在發(fā)熱源和散熱器之間填充一層同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)和良好的可壓縮性的熱界面材料。如何選擇合適的填料材質(zhì)、形狀、大小、界面特性、填充量以及配比，是關(guān)系熱界面材料性能的關(guān)鍵。由于設(shè)計(jì)參數(shù)空間巨大，采用計(jì)算的方法探究參數(shù)之間的作用機(jī)制、并對(duì)配方進(jìn)行高通量篩選，有望大幅促進(jìn)高性能熱界面材料的研發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)此目的，發(fā)展一種熱界面材料的精準(zhǔn)高效數(shù)值模擬方法是邁出的第一步。
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所、深圳先進(jìn)電子材料國(guó)際創(chuàng)新研究院孫蓉研究員團(tuán)隊(duì)在Nanotechnology期刊以Numerical homogenization of thermal conductivity of particle-filled thermal interface material by fast Fourier transform method為題發(fā)表了研究成果（DOI: 10.1088/1361-6528/abeb3c）。論文第一作者是陸曉欣助理研究員，通訊作者是魯濟(jì)豹副研究員、孫蓉研究員。
科研人員首先基于蒙特卡洛方法和基于能量最小化的結(jié)構(gòu)弛豫方法構(gòu)建了顆粒隨機(jī)填充型熱界面材料的微觀結(jié)構(gòu)，隨后開發(fā)了基于快速傅里葉變換迭代求解的數(shù)值模型，并在模型中充分考慮了顆粒-基體、顆粒-顆粒之間的界面熱阻對(duì)于宏觀導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)于低填充體積分?jǐn)?shù)的材料，宏觀導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)顆粒-基體之間界面熱阻的變化非常敏感；對(duì)于高填充體積分?jǐn)?shù)的材料，宏觀導(dǎo)熱系數(shù)則主要受顆粒-顆粒之間的界面熱阻影響。經(jīng)過驗(yàn)證，該數(shù)值模型和傳統(tǒng)的有限元方法相比，在不損害計(jì)算精度的同時(shí)大大降低了計(jì)算成本；通過進(jìn)一步合理確定計(jì)算輸入?yún)?shù)，可以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，有望用于導(dǎo)熱凝膠等熱界面材料的高通量計(jì)算篩選。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、中科院青促會(huì)等的資助。
論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/abeb3c/meta
模型示意圖
數(shù)值模型與比理論模型適用范圍更廣，可以準(zhǔn)確模擬高填充體積分?jǐn)?shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)
該數(shù)值計(jì)算方法和有限元相比，大幅降低了高填充密度熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算時(shí)間和所需內(nèi)存。
溫度梯度和熱流場(chǎng)分布
顆粒-基體熱面熱阻、顆粒-顆粒界面熱阻分別為低、高填充密度下導(dǎo)熱系數(shù)的主要影響因素。顆粒尺寸的提高有助于提高導(dǎo)熱系數(shù)。
文字|材料計(jì)算與仿真研究中心
編輯|綜合管理部文宣辦