[发明专利]一种对于粘附剂材料作为热界面材料与散热片结合处界面性质的分子动力学分析方法

说明书

一种对于粘附剂材料作为热界面材料与散热片结合处界面性质的分子动力学分析方法，属于材料科学技术领域。本发明包括：(1)对高分子基体建模；(2)对金属材料建模；(3)固定金属材料表面，对高分子基体朝向金属材料表面施加力和温度，得到高分子基体与金属材料充分结合的界面模型；(4)将高分子基体分开成两部分，生成自愈合模拟的初始结构；(5)以界面模型进行性能试验，记录界面模型的性质变化数据；(6)以初始结构作为起始结构，进行自愈合模拟，记录性质变化数据；(7)对所得数据进行汇总和分析，提取有用信息。本发明模拟尺度达到原子级别，可以提供一般实验手段难以达到的对材料在微观尺度下的性质与性能的表征和分析。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种对于粘附剂材料作为热界面材料与散热片结合处界面性质的分子动力学分析方法。

背景技术

热界面材料(TIM)是电子封装热管理过程中所用到的关键材料之一。与芯片及散热片直接接触的热界面材料叫TIM1。近些年来，TIM1与芯片/散热片的界面性质受到了业界越来越多的关注。当热从一个部件传到另一个部件时，有效的导热只发生在两个部件真正有效接触的部分。然而，由于界面的微观缺陷，实际有效接触面积往往很小。TIM1被用来填补这些界面处的缺陷，增大有效接触面积，从而降低界面热阻。同时，由于在使用过程中，尤其是经过多轮热循环后，TIM1与芯片/散热片界面处时常会发生剥离或者结构遭到破坏的现象，因此，TIM1的界面机械性能也相当重要。而提高TIM1与其他部件间的界面粘附性，既可以增大有效接触面积，提高导热性能，而且可以增强结构稳定性，因此需要重点关注。另外，如果TIM1材料能够同时拥有自愈合性能，也将增强材料的可靠性和使用寿命。

硅脂材料由于其优越的延展性，被广泛用作TIM1中的高分子基体材料。近来，有团队提出一种新型的硅脂类粘附剂材料。这种新型材料被称为DOSS。这种材料与普通硅脂材料相比，内部因含有大量氢键位点，其粘附性能以及机械性能均得很大提高。此外，DOSS还具有优异的自愈合能力。

虽然DOSS的宏观性质已经通过实验手段得到系统的表征，但是为了更进一步地开发此种新型材料的利用潜力，因此需要对此种材料的性质有一个更加全方位的了解，尤其是此种新型材料的微观性能。分子动力学是一种探究材料微观性质的强大手段，其探究尺度在原子级别，同时与第一性原理计算相比，其模拟体系显著增大，可达到10³–10⁶原子数。在此，我们着重关注TIM1与金属散热片的界面粘附性能、机械性能以及自愈合性能，探究其作为TIM1材料的应用潜力。

分子动力学模拟，计算体系的最小尺度为原子，认为原子的运动遵守牛顿力学规则，由体系力场所设定的参数得到原子的相互作用力，从而得到体系的运动轨迹。因此，分子动力学的计算基于体系力场的选择。力场基于体系中各种原子的分类赋予不同原子类型相应的力场参数，这些力场参数通常是力场开发者通过对第一性原理计算数据或者实验数据进行拟合后得到的。不同力场对于原子间作用的描述不同，一般而言包括键长、键角、二面角等键联相互作用项，同时还包含非键相互作用，包括静电力以及范德华力等。在此基础上，设定时间步长后，积分器对体系中各个原子进行牛顿力学积分，从而得到体系的运动轨迹。

分子动力学相比较于第一性原理来说，有如下优点：首先，相比较于第一性原理模拟的体系规模(10²原子)，分子动力学模拟的体系较大，通常在10³-10⁶原子之间，减小了尺寸效应带来的误差，因此更加适合材料方面的模拟研究；第二，分子动力学可以设定极短的时间步长(如飞秒级)，因此可以得到体系在超快时间尺度的相关信息。同时，通过分子动力学可以模拟实验条件，如利用恒温器和恒压器，可以实现体系的不同温度和压力的模拟条件；可以实现对体系的操控，如单轴拉伸模拟。

本发明旨在为相应工艺及材料性能研究提供一种模拟研究方法，可以补充常规实验手段难以达到的微观探究目的，同时作为一种新材料筛选手段，对于新型材料可能的应用前景进行探究与验证，从而对产业提供指导和参考。

发明内容