深圳先進院Nanotechnology：熱界面材料導熱性能的高效率精準數值模擬方法

隨著封裝結構變得越來越復雜并逐漸向小型化和高功率化發展，電子產品產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熱源和散熱器之間填充一層同時具有高導熱系數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、形狀、大小、界面特性、填充量以及配比，是關系熱界面材料性能的關鍵。由于設計參數空間巨大，采用計算的方法探究參數之間的作用機制、并對配方進行高通量篩選，有望大幅促進高性能熱界面材料的研發。為了實現此目的，發展一種熱界面材料的精準高效數值模擬方法是邁出的第一步。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所、深圳先進電子材料國際創新研究院孫蓉研究員團隊在Nanotechnology期刊以Numerical homogenization of thermal conductivity of particle-filled thermal interface material by fast Fourier transform method為題發表了研究成果（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構弛豫方法構建了顆粒隨機填充型熱界面材料的微觀結構，隨后開發了基于快速傅里葉變換迭代求解的數值模型，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于宏觀導熱性能的影響。結果表明，對于低填充體積分數的材料，宏觀導熱系數對顆粒-基體之間界面熱阻的變化非常敏感；對于高填充體積分數的材料，宏觀導熱系數則主要受顆粒-顆粒之間的界面熱阻影響。經過驗證，該數值模型和傳統的有限元方法相比，在不損害計算精度的同時大大降低了計算成本；通過進一步合理確定計算輸入參數，可以精準預測復合材料的導熱系數，有望用于導熱凝膠等熱界面材料的高通量計算篩選。

該研究得到了國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中科院青促會等的資助。

模型示意圖

數值模型比解析模型適用范圍更廣，可以準確模擬高填充體積分數下的導熱系數

溫度梯度和熱流場分布圖

顆粒-基體熱面熱阻、顆粒-顆粒界面熱阻分別為低、高填充密度下導熱系數的主要影響因素。顆粒尺寸的提高有助于提高導熱系數。

該數值計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熱系數的計算時間和所需內存。

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