[發明專利]一種對于粘附劑材料作為熱界面材料與散熱片結合處界面性質的分子動力學分析方法

在審

• 申請號: 202111151929.0
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113921090A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 魯濟豹;吳欞駿;王偉;孫蓉
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院;深圳先進電子材料國際創新研究院
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈;李玉娜

一種對于粘附劑材料作為熱界面材料與散熱片結合處界面性質的分子動力學分析方法，屬于材料科學技術領域。本發明包括：(1)對高分子基體建模；(2)對金屬材料建模；(3)固定金屬材料表面，對高分子基體朝向金屬材料表面施加力和溫度，得到高分子基體與金屬材料充分結合的界面模型；(4)將高分子基體分開成兩部分，生成自愈合模擬的初始結構；(5)以界面模型進行性能試驗，記錄界面模型的性質變化數據；(6)以初始結構作為起始結構，進行自愈合模擬，記錄性質變化數據；(7)對所得數據進行匯總和分析，提取有用信息。本發明模擬尺度達到原子級別，可以提供一般實驗手段難以達到的對材料在微觀尺度下的性質與性能的表征和分析。

技術領域

本發明屬于材料科學技術領域，具體涉及一種對于粘附劑材料作為熱界面材料與散熱片結合處界面性質的分子動力學分析方法。

背景技術

熱界面材料(TIM)是電子封裝熱管理過程中所用到的關鍵材料之一。與芯片及散熱片直接接觸的熱界面材料叫TIM1。近些年來，TIM1與芯片/散熱片的界面性質受到了業界越來越多的關注。當熱從一個部件傳到另一個部件時，有效的導熱只發生在兩個部件真正有效接觸的部分。然而，由于界面的微觀缺陷，實際有效接觸面積往往很小。TIM1被用來填補這些界面處的缺陷，增大有效接觸面積，從而降低界面熱阻。同時，由于在使用過程中，尤其是經過多輪熱循環后，TIM1與芯片/散熱片界面處時常會發生剝離或者結構遭到破壞的現象，因此，TIM1的界面機械性能也相當重要。而提高TIM1與其他部件間的界面粘附性，既可以增大有效接觸面積，提高導熱性能，而且可以增強結構穩定性，因此需要重點關注。另外，如果TIM1材料能夠同時擁有自愈合性能，也將增強材料的可靠性和使用壽命。

硅脂材料由于其優越的延展性，被廣泛用作TIM1中的高分子基體材料。近來，有團隊提出一種新型的硅脂類粘附劑材料。這種新型材料被稱為DOSS。這種材料與普通硅脂材料相比，內部因含有大量氫鍵位點，其粘附性能以及機械性能均得很大提高。此外，DOSS還具有優異的自愈合能力。

雖然DOSS的宏觀性質已經通過實驗手段得到系統的表征，但是為了更進一步地開發此種新型材料的利用潛力，因此需要對此種材料的性質有一個更加全方位的了解，尤其是此種新型材料的微觀性能。分子動力學是一種探究材料微觀性質的強大手段，其探究尺度在原子級別，同時與第一性原理計算相比，其模擬體系顯著增大，可達到10³–10⁶原子數。在此，我們著重關注TIM1與金屬散熱片的界面粘附性能、機械性能以及自愈合性能，探究其作為TIM1材料的應用潛力。

分子動力學模擬，計算體系的最小尺度為原子，認為原子的運動遵守牛頓力學規則，由體系力場所設定的參數得到原子的相互作用力，從而得到體系的運動軌跡。因此，分子動力學的計算基于體系力場的選擇。力場基于體系中各種原子的分類賦予不同原子類型相應的力場參數，這些力場參數通常是力場開發者通過對第一性原理計算數據或者實驗數據進行擬合后得到的。不同力場對于原子間作用的描述不同，一般而言包括鍵長、鍵角、二面角等鍵聯相互作用項，同時還包含非鍵相互作用，包括靜電力以及范德華力等。在此基礎上，設定時間步長后，積分器對體系中各個原子進行牛頓力學積分，從而得到體系的運動軌跡。

分子動力學相比較于第一性原理來說，有如下優點：首先，相比較于第一性原理模擬的體系規模(10²原子)，分子動力學模擬的體系較大，通常在10³-10⁶原子之間，減小了尺寸效應帶來的誤差，因此更加適合材料方面的模擬研究；第二，分子動力學可以設定極短的時間步長(如飛秒級)，因此可以得到體系在超快時間尺度的相關信息。同時，通過分子動力學可以模擬實驗條件，如利用恒溫器和恒壓器，可以實現體系的不同溫度和壓力的模擬條件；可以實現對體系的操控，如單軸拉伸模擬。

本發明旨在為相應工藝及材料性能研究提供一種模擬研究方法，可以補充常規實驗手段難以達到的微觀探究目的，同時作為一種新材料篩選手段，對于新型材料可能的應用前景進行探究與驗證，從而對產業提供指導和參考。

發明內容