來源|Composites Science and Technology

01

背景介紹

隨著半導體技術的進步，芯片特征維度的不斷縮小，更快、更高效、更精確的高性能計算微處理器的功率密度急劇上升，同時也帶來了熱管理的挑戰，如果不能妥善解決熱管理問題，最終會限制處理器的使用壽命、可靠性和芯片性能。目前，無論是小型移動設備還是大型通信終端，熱源(芯片)的廢熱通過多個設備層及其界面的一系列熱阻傳遞到散熱器，其中超過50%的熱阻來自界面，因此，界面熱阻被廣泛認為是熱管理的瓶頸和迫切需要。在熱管理方面，理想的TIM要求高導熱性，高機械順應性（低彈性模量和高可壓縮性）和低熱應力，以降低熱接觸阻力并緩解由于兩個連接層之間的熱膨脹系數不匹配而導致的應力集中引起的破壞。聚合物基TIMs具有優異的力學性能和較低的熱應力，已廣泛應用于廢熱的消散。目前，研究主要集中在提高聚合物基TIMs的固有熱導率上。瀝青基碳纖維具有超高導熱系數(1000 W/m·K)和熱穩定性，是高性能TIM的優秀候選材料。遺憾的是，由于碳纖維的一維特性，其超高導熱系數僅沿軸向存在。因此，采用傳統方法制備的碳纖維與聚合物基體的無規共混TIMs導熱系數難以超過10.00 W/m·K。為了充分利用碳纖維在熱傳輸方面的優勢，冷凍鑄造、靜電植絨和磁場取向等典型策略已用來實現碳纖維在聚合物基體中的垂直排列，導熱增強效率顯著提高。此外，只有高導熱系數并不能保證最佳的熱管理性能。實現TIM與各種基片的最佳界面接觸同樣重要。這就要求TIMs既具有高導熱性又具有高彈性柔度。然而，這兩種要求通常是相互競爭的，因此很難同時實現高導熱性和優異的彈性順應性。

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02

成果掠影

深圳先進電子材料國際創新研究院孫蓉、曾小亮、張晨旭團隊和南昌大學杜國平團隊合作推測，降低交聯密度并引入導熱纖維TIM 可以實現高導熱性、柔順性和彈性性能。為了驗證這一猜想，使用碳纖維和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為模型系統，其中通過垂直排列碳纖維并調制PDMS的交聯密度。碳纖維的垂直取向不僅有利于導熱網絡的形成，而且有利于提高交聯密度降低所損害的彈性。正如預期的那樣，碳纖維/PDMS（CF/PDMS）TIM 表現出 43.47 W/m·K 的高通平面導熱系數（負載量僅為 20 vol%）、類似于軟生物組織的出色彈性順應性（35% 壓縮應變下的應力~35 kPa）和出色的回彈性能（壓縮循環后彈性率高達~ 85%）。此外，CF/PDMS TIM在微處理器冷卻中表現出卓越的散熱能力和穩定性。本研究開辟了一條滿足高性能計算散熱需求的高性能TIM制造方法。研究成果以“Compliance-tunable thermal interface materials based on vertically oriented carbon fiber arrays for high-performance thermal management”為題發表于《Composites Science and Technology》。

?03圖文導讀

表1.PDMS矩陣公式

圖1.（a）TIMs在應用中的示意圖（b）CF/PDMS TIM示意圖（c）CF/PDMS TIM材料（d-e）CF/PDMS TIM材料SEM圖像（f）CF/PDMS TIM三維結構示意圖

圖2.（a）CF/PDMS TIMs的平面熱導率（b）CF/PDMS材料的導熱增強效率（c）20 vol% - CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的熱接觸電阻（d）20 vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的有效導熱系數（e）CF/PDMS TIMs壓縮過程的結構示意圖

表2.CF/PDMS TIMs與文獻報道的導通平面熱導率的比較

圖3.（a）20 vol%-CF/PDMS TIMs的σ?ε曲線（b）15 vol%-CF/PDMS2 TIM和20 vol%-CF/PDMS2 TIMσ?ε曲線對比（c）15 vol%/20vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的楊氏模量（d）20 vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的應力松弛曲線（e）15 vol%-CF/PDMS4 TIM和20 vol%-CF/PDMS4 TIM的應力松弛曲線比較（f）15 vol%-CF/PDMS4 TIM和20 vol%-CF/PDMS4 TIM連續10個周期的ε?t曲線

圖4.（a） c-CF/PDMS TIM的SEM截面圖像（b-c） Al和ZnO元素在c-CF/PDMS TIM上的EDS圖譜（d） CF/PDMS TIM和c-CF/PDMS TIM的傳熱示意圖（e） 20 vol%-c-CF/PDMS TIM和20 vol%-CF/PDMS TIM的總熱阻

圖5.（a）CF/PDMS TIMs在微處理器冷卻中的熱管理應用實驗示意圖（b）芯片溫度-時間曲線（c）芯片在不同功率下的穩態溫度（d）使用CF/PDMS TIM(1000個循環)時芯片的溫度循環曲線（e）功率循環測試時芯片的溫度變化