中科院深圳先进院孙蓉/么依民团队联合华南理工大学彭政务:兼具低模量与高粘附的新型聚离子液体导热凝胶

随着芯片尺寸不断增大、功耗持续攀升，芯片内部产生的热量急剧增加，对芯片级热界面材料提出了更高要求——既要柔软贴合，又要牢固粘接，还要长期稳定可靠。传统有机硅导热凝胶存在界面粘接力不足、低分子硅氧烷易逸出等问题，碳基和金属基材料也难以同时兼顾柔顺性与界面稳定性。针对这些瓶颈，本研究提出聚离子液体基导热凝胶新方案，有望突破现有材料限制，为新一代大功率AI芯片提供更安全、高效的热管理支撑。

随着AI芯片向大尺寸、高功率方向发展，单位面积热流密度持续攀升，芯片级热管理已成为先进封装中的关键瓶颈。现有有机硅导热凝胶虽具备良好的工艺适配性和力学柔顺性，但界面粘接能力有限；碳基或金属基热界面材料导热性能优异，却普遍存在模量高、界面顺应性不足等问题，难以同时满足高导热与高可靠性的要求。针对上述挑战，深圳先进电子材料国际创新研究院么依民团队提出并开发了聚离子液体基导热凝胶体系。该材料采用“离子键–共价键”双网络结构设计：共价网络构筑稳定骨架，保障高温下的结构完整性；离子相互作用提供动态应力调节能力，提升界面顺应性与粘接稳定性。体系以乙烯基咪唑功能化离子液体为聚合基体，引入表面改性的球形氧化铝作为导热填料，构建出兼具高导热通路与低模量特征的复合凝胶材料。所开发的聚离子液体基导热凝胶在部分性能上可对标有机硅体系，并适配倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）的点胶工艺。通过系统开展力学、热学及可靠性评估，研究人员初步验证了其在芯片级热管理中的应用可行性，为构建兼具高导热性、强界面粘附与应力自适应能力的新型热界面材料提供了新的技术思路。

首先合成主链为咪唑结构、侧链引入烷氧基、阴离子为双（三氟甲磺酰）亚胺的功能化离子液体单体。随后，将该单体与经乙烯基三乙氧基硅烷表面改性的球形氧化铝，形成可点胶的单组分浆料体系。材料在空气气氛下于85 °C热引发聚合3h完成原位固化，制备不同填料含量的聚离子液体基热界面材料。该体系在流变特性与固化窗口设计上对标FCBGA点胶工艺要求，兼具良好的可点胶性、铺展性与原位成胶能力，可在芯片贴合后实现界面自适应填充与稳定固化，满足先进封装中对工艺兼容性与结构完整性的双重需求。

图1. 聚离子液体基热界面材料

1.工艺适配性优异：在70vol% 球形氧化铝高填充条件下，导热凝胶固化前粘度为225Pa·s，适配FCBGA自动化点胶工艺窗口。体系为单组分设计，具备室温储存稳定性，无硅氧烷挥发或渗出问题，同时未观察到离子液体迁移或泄漏现象，表现出良好的加工与使用安全性。

2.性能协同突破：材料实现了低模量（255 kPa）与高界面粘接强度的协同平衡。室温下对Cu/Si的界面粘接强度分别达到0.95/0.91 MPa，显著高于商用有机硅导热凝胶。与Si界面的接触热阻低至1.95 ± 0.87 × 10⁻⁷ m²·K/W，较商用体系降低一个数量级，体现出更优的界面传热效率。

3.稳定性与可靠性突出：材料热分解温度超过400 ℃，在150 ℃长时间保温条件下无明显质量损失。经老化处理后，界面覆盖率仍保持较高水平，界面粘接强度波动较小；在1000次冷热循环测试后，整体热学性能基本无衰减，展现出良好的长期服役可靠性。

图2. 经过老化测试后材料的界面几乎无分层或孔洞。

1.拓展材料应用边界，突破传统TIM性能耦合瓶颈

本研究将聚离子液体（PIL）的应用由传统的催化与分离领域拓展至芯片热管理方向，首次构建离子液体/聚离子液体芯片级导热凝胶体系，实现低模量与高界面粘接强度的协同优化。该体系突破了有机硅TIM中模量与粘接性能难以兼顾的内在矛盾，同时规避了碳基/金属基热界面材料力学顺应性不足的问题，为高功率AI芯片提供了兼具导热效率与界面可靠性的全新材料路径。

2.完善界面调控与应力自适应的分子设计理论

系统阐明了聚离子液体与基底之间由静电作用、氢键及离子–偶极相互作用等多重作用协同构筑的界面粘附机制，揭示了离子相互作用在应力传递与缓释过程中的动态调节功能，建立了基于离子结构设计调控材料应力适应性的分子设计框架，为功能高分子在热-机械耦合环境中的应用提供了理论基础。

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研究总结和展望

本研究开发了聚离子液体基导热凝胶作为新型芯片级热界面材料，有效解决了传统有机硅体系中“低模量”与“高界面粘接”难以兼得的技术瓶颈。聚离子液体基热界面材料基于离子键–共价键双网络设计，通过动态离子相互作用与稳定共价骨架的协同作用，实现力学顺应性与界面稳定性的平衡；同时结合乙烯基改性氧化铝的界面共价锚固，构建稳固的热传导网络。

该材料可有效缓解大尺寸、高功率AI芯片封装中因翘曲与热循环引发的界面失效问题，维持稳定导热路径，为先进封装提供兼具高导热性、强粘接性与低模量顺应性的解决方案。同时，其分子结构与填料体系具有高度可设计性，可通过导热填料复配、网络结构调控及功能化改性进一步降低本体热阻、提升界面稳定性并拓展电磁屏蔽、阻燃等多功能特性。在此基础上，结合规模化制备与全流程可靠性验证，有望推动该体系在高功率芯片及泛电子器件热管理中的工程化应用。

本研究由国家自然科学基金面上项目（项目编号：62474116）；中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（项目编号：YSBR-105）；国家重点研发计划（项目编号：2022YFA1203100）；集成电路材料全国重点实验室自主课题（项目编号：SKLJC-Z2025-A08）；广东省基础与应用基础研究基金面上项目（项目编号：2025A1515012967）；北京市自然科学基金（项目编号：L257012）和高密度电子封装材料与器件联合实验室（无项目编号）资助支持。