科研进展

深圳先进院开发出高效率计算热界面材料导热性能的数值模拟方法

时间:2021-04-29  来源:材料所 李沐纯 文本大小:【 |  | 】  【打印

  随着封装结构变得越来越复杂并逐渐向小型化和高功率化发展,电子产品产生的热量也随之增加。大量的热量聚集在这些电子元器件中无法有效排除,将严重影响元电子器件的性能和寿命。提高封装芯片散热的有效方法是在发热源和散热器之间填充一层同时具有高导热系数和良好的可压缩性的热界面材料。如何选择合适的填料材质、形状、大小、界面特性、填充量以及配比,是关系热界面材料性能的关键。由于设计参数空间巨大,采用计算的方法探究参数之间的作用机制、并对配方进行高通量筛选,有望大幅促进高性能热界面材料的研发。为了实现此目的,发展一种热界面材料的精准高效数值模拟方法是第一步。 

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所、深圳先进电子材料国际创新研究院孙蓉研究员团队在Nanotechnology期刊以Numerical homogenization of thermal conductivity of particle-filled thermal interface material by fast Fourier transform method为题发表了研究成果(DOI: 10.1088/1361-6528/abeb3c)。论文第一作者是陆晓欣助理研究员,通讯作者是鲁济豹副研究员、孙蓉研究员。 

  科研人员首先基于蒙特卡洛方法和基于能量最小化的结构弛豫方法构建了颗粒随机填充型热界面材料的微观结构,随后开发了基于快速傅里叶变换迭代求解的数值模型,并在模型中充分考虑了颗粒-基体、颗粒-颗粒之间的界面热阻对于宏观导热性能的影响。结果表明,对于低填充体积分数的材料,宏观导热系数对颗粒-基体之间界面热阻的变化非常敏感;对于高填充体积分数的材料,宏观导热系数则主要受颗粒-颗粒之间的界面热阻影响。经过验证,该数值模型和传统的有限元方法相比,在不损害计算精度的同时大大降低了计算成本;通过进一步合理确定计算输入参数,可以精准预测复合材料的导热系数,有望用于导热凝胶等热界面材料的高通量计算筛选。 

  该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中科院青促会等的资助。  

  论文链接 

    

  温度梯度和热流场分布图 

  颗粒-基体热面热阻、颗粒-颗粒界面热阻分别为低、高填充密度下导热系数的主要影响因素。颗粒尺寸的提高有助于提高导热系数。

 

  该数值计算方法和有限元相比,大幅降低了高填充密度热界面材料导热系数的计算时间和所需内存。 

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