中國粉體網(wǎng)訊 隨著半導(dǎo)體器件朝著微型化、高度集成化方向發(fā)展所帶來的功率密度的提高，電子設(shè)備的發(fā)熱量越來越大，熱失效已經(jīng)成為阻礙電子設(shè)備性能和壽命的首要問題。據(jù)統(tǒng)計，電子器件的溫度每升高10℃-15℃，其相應(yīng)的使用壽命將會降低50%。高效的熱管理技術(shù)是解決這一問題的關(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具有高的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的可壓縮性，但是這兩個特征很難同時滿足。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，難以滿足熱界面材料對縱向熱傳導(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)，但同時也提高了壓縮模量。據(jù)相關(guān)文獻報道，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，開發(fā)同時具有高導(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)部功能碳素材料團隊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。該材料的制備過程如圖1所示：對抽濾的石墨烯紙施加橫向機械力，使石墨烯具有褶皺結(jié)構(gòu)，然后施加壓力得到密實的石墨烯導(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)與蜂巢板類似（如圖2（l））。實驗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52%），已經(jīng)超過了大多數(shù)的金屬（如Mo、Zn、In、Ni、Fe等），相應(yīng)的結(jié)果見圖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，遠低于金屬材料（圖3d），有利于在封裝時產(chǎn)生變形，實現(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)率仍超過了100Wm-1K-1，接觸熱阻低至5.8Kmm2 W-1，如圖3（e–g）所示。
在實際的熱界面性能評測實驗中，以石墨烯導(dǎo)熱墊作為熱界面材料的系統(tǒng)熱源溫降達到65℃，遠高于應(yīng)用商用熱界面材料所實現(xiàn)的溫降（38℃），實驗結(jié)果如圖4（a–c）所示。圖4（d–e）為CFD仿真軟件對散熱過程的模擬，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2500次熱沖擊測試后散熱性能波動低于0.5%；除此之外，該石墨烯導(dǎo)熱墊還具有長時穩(wěn)定性，在20Wcm-2的功率下連續(xù)工作7天，加熱片與環(huán)境溫度的差值無明顯變化（圖4g），顯示出良好的熱沖擊穩(wěn)定性以及長程穩(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)。該研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃（2017YFB0406000）、中科院戰(zhàn)略重點研究計劃（XDA22000000）、中科院裝備（YZ201640）、寧波市重大專項（2016S1002和2016B10038）以及寧波市國際合作（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試及仿真
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）
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