中國(guó)粉體網(wǎng)訊  隨著半導(dǎo)體器件朝著微型化、高度集成化方向發(fā)展所帶來(lái)的功率密度的提高，電子設(shè)備的發(fā)熱量越來(lái)越大，熱失效已經(jīng)成為阻礙電子設(shè)備性能和壽命的首要問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子器件的溫度每升高10℃-15℃，其相應(yīng)的使用壽命將會(huì)降低50%。高效的熱管理技術(shù)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，其中一種有效的方法就是在發(fā)熱源和散熱器之間填充一層熱界面材料。性能優(yōu)異的熱界面材料需要同時(shí)具有高的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的可壓縮性，但是這兩個(gè)特征很難同時(shí)滿(mǎn)足。比如大多數(shù)金屬具有高的導(dǎo)熱系數(shù)（70Wm-1K-1–400Wm-1K-1），但是其壓縮模量也很高（70GPa–120GPa），難以填充發(fā)熱芯片和熱沉之間的縫隙；而硅膠雖然具有很低的壓縮模量（0.3MPa–2MPa），但是其導(dǎo)熱系數(shù)只有0.1Wm-1K-1–0.3Wm-1K-1，難以滿(mǎn)足熱界面材料對(duì)縱向熱傳導(dǎo)的需求。在硅膠中加入高導(dǎo)熱的填料雖然可以提高導(dǎo)熱系數(shù)，但同時(shí)也提高了壓縮模量。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在PDMS中加入垂直排列的碳納米管陣列后，面外熱導(dǎo)率提高到25Wm-1K-1，但是壓縮模量也增加到10MPa。因此，開(kāi)發(fā)同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)和低壓縮模量的熱界面材料尤為重要。

近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所表面事業(yè)部功能碳素材料團(tuán)隊(duì)制備了一種基于垂直排列石墨烯結(jié)構(gòu)的具有高導(dǎo)熱系數(shù)低壓縮模量的熱界面材料。該材料的制備過(guò)程如圖1所示：對(duì)抽濾的石墨烯紙施加橫向機(jī)械力，使石墨烯具有褶皺結(jié)構(gòu)，然后施加壓力得到密實(shí)的石墨烯導(dǎo)熱墊。該方法使得石墨烯紙的取向由水平變成垂直，實(shí)現(xiàn)了石墨烯紙水平傳熱到垂直傳熱的轉(zhuǎn)變。

圖2（a–k）為石墨烯導(dǎo)熱墊在制備過(guò)程中各階段的形貌變化，最終的石墨烯導(dǎo)熱墊在微觀上呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，中間以垂直排列的石墨烯為主，頂部和底部有一薄層水平排列的石墨烯，整體結(jié)構(gòu)與蜂巢板類(lèi)似（如圖2（l））。實(shí)驗(yàn)所用的作為原料的石墨烯紙的面內(nèi)熱導(dǎo)率為273Wm-1K-1，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)制之后所得到的石墨烯導(dǎo)熱墊的縱向熱導(dǎo)率為143Wm-1K-1（轉(zhuǎn)化率達(dá)52%），已經(jīng)超過(guò)了大多數(shù)的金屬（如Mo、Zn、In、Ni、Fe等），相應(yīng)的結(jié)果見(jiàn)圖3（a–d）。除了擁有高的導(dǎo)熱系數(shù)，該石墨烯導(dǎo)熱墊還具有與硅膠相當(dāng)?shù)膲嚎s模量，僅有0.87MPa，遠(yuǎn)低于金屬材料（圖3d），有利于在封裝時(shí)產(chǎn)生變形，實(shí)現(xiàn)較低的接觸熱阻。在30%壓縮率下，石墨烯導(dǎo)熱墊的面外熱導(dǎo)率仍超過(guò)了100Wm-1K-1，接觸熱阻低至5.8Kmm2 W-1，如圖3（e–g）所示。

在實(shí)際的熱界面性能評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，以石墨烯導(dǎo)熱墊作為熱界面材料的系統(tǒng)熱源溫降達(dá)到65℃，遠(yuǎn)高于應(yīng)用商用熱界面材料所實(shí)現(xiàn)的溫降（38℃），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4（a–c）所示。圖4（d–e）為CFD仿真軟件對(duì)散熱過(guò)程的模擬，結(jié)果顯示石墨烯導(dǎo)熱墊的接觸熱阻低于主流的商用導(dǎo)熱墊。在圖4f中，石墨烯導(dǎo)熱墊表現(xiàn)出了良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性，在經(jīng)過(guò)2500次熱沖擊測(cè)試后散熱性能波動(dòng)低于0.5%；除此之外，該石墨烯導(dǎo)熱墊還具有長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性，在20Wcm-2的功率下連續(xù)工作7天，加熱片與環(huán)境溫度的差值無(wú)明顯變化（圖4g），顯示出良好的熱沖擊穩(wěn)定性以及長(zhǎng)程穩(wěn)定性。目前相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano (2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b05163)。該研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0406000）、中科院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃（XDA22000000）、中科院裝備（YZ201640）、寧波市重大專(zhuān)項(xiàng)（2016S1002和2016B10038）以及寧波市國(guó)際合作（2017D10016）的資助。

圖1 石墨烯導(dǎo)熱墊的制備流程

圖2 石墨烯導(dǎo)熱墊的形貌變化

圖3 石墨烯導(dǎo)熱墊熱導(dǎo)率以及熱阻

圖4 石墨烯導(dǎo)熱墊的熱界面性能測(cè)試及仿真

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）

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