Bridging the Thermal Gap: Ag-MWCNT Reinforced Silver Paste as an Interfacial Interconnect for High-Power Electronic Packaging
本研究表明，将银纳米颗粒修饰的多壁碳纳米管（Ag-MWCNTs）引入纳米银浆中，能显著提高热导率并最小化界面热阻，为涉及石墨烯薄膜的高功率电子封装中的热管理提供了一种有效的解决方案。
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现代电子产品正变得越来越小巧且功能强大，在微小的空间内蕴含着巨大的能量。这种进步带来了一个棘手的难题：热量。当计算机芯片或高功率设备工作时，会产生剧烈的热量，必须迅速将其移走，否则设备将会失效。为了解决这个问题，工程师们使用特殊的材料来搭建热源（芯片）与旨在散热的金属片之间的桥梁。然而，即使将这两个表面紧密压在一起，在微观层面上也并非完全平整。微小的缝隙和粗糙点会捕捉空气，而空气就像一层毯子，阻碍了热量的流动。这造成了瓶颈，导致设备无法高效降温。多年来，科学家们一直在寻找一种方法，用一种导热性能优于金属本身的材料来填充这些微观缝隙，希望能释放出下一代电子设备的全部潜力。
上海大学的研究人员通过开发一种充当热桥的特种浆料，为这一问题提出了新方案。他们以纳米银浆为基底，这种材料由微小的银颗粒组成，可以在低温下熔合在一起，形成一层坚固的导电层。虽然银在传导热量方面表现出色，但单纯的浆料在处理热源与冷却表面之间的微观缺陷时仍然显得力不从心。为了解决这个问题，团队引入了第二种成分：多壁碳纳米管。这些是碳原子构成的极细管状结构，以其高效传输热量的能力而闻名。然而，如果只是简单地将这些管子混合到浆料中，它们会发生团聚，这反而会阻碍热流而非提供帮助。
为了解决团聚问题，研究人员首先利用强酸混合物和超声波对碳纳米管进行了处理。这个过程清洗了管子，并在其表面添加了微小的化学基团，使其更易于结合。随后，他们用银纳米颗粒对这些经过处理的管子进行了涂层处理，本质上是为这些碳管穿上了一件“银色外套”。这种装饰有两个目的：一是防止管子相互粘连，二是确保在加热时，碳管与银浆之间能形成牢固的化学键。团队测试了不同数量的这些镀银管，通过在浆料中加入不同比例的成分，以寻找完美的平衡点。
结果显示，添加这些增强型管子显著提高了材料的导热能力。当浆料中含有按重量计5%的这类镀银管时，其导热能力达到了10.16 W/(m·K) 的峰值。这是一个巨大的进步，与不含任何管子的纯银浆相比，提升了175%。管子上的银涂层就像是在碳结构与银基体之间进行的一次稳固握手，使热量能够轻松地从一种材料跳跃到另一种材料，而不会卡在界面处。
然而，最佳性能的表现取决于材料的使用场景。当研究人员使用这种浆料将石墨烯薄膜（一种以高导热性著称的二维碳片层）连接到铜基底上时，理想的增强剂含量发生了变化。在这种特定的设置下，仅添加1%的镀银管就能将热阻降低59%，使其降至极低水平。这表明，虽然较高浓度的管子能让浆料本身的导电性更好，但较低的浓度则更擅长平滑两种不同材料之间的界面。在这种低浓度下，管子就像微小的桥梁，跨越了银颗粒与金属表面之间的微观间隙，从而创造出一条连续的热量传输路径。
该研究还考察了这些新连接结构的强度。含有1%镀银管的浆料不仅在导热方面表现出色，在机械强度上也更强。它在断裂前能承受23.36 MPa的剪切力，这明显高于纯银浆。这表明管子有助于将结构结合得更加紧密。然而，添加过多的管子则会产生相反的效果。当添加量达到10%时，管子开始再次发生团聚，在材料中产生了薄弱点和裂纹。这导致导热性和机械强度都大幅下降，证明在材料出现缺陷之前，存在一个可以添加增强剂的精确极限。
这项工作为先进电子封装中的热管理提供了一条清晰的路径。通过仔细调节碳纳米管的表面化学性质并控制其在银浆中的添加量，工程师可以创造出比以往任何时候都更能有效填充组件间微观缝隙的材料。研究表明，解锁高性能热管理的关键不仅在于材料本身，还在于如何准备和组合它们，以确保它们能够无缝协作。
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