“解決散熱問題一直是電子器件工業(yè)的重要需求。新興科技的產(chǎn)生也需要保障高效的熱管理，以便提高設(shè)備壽命和功率等。因此，預(yù)計(jì)我們這項(xiàng)成果有望在更高功率、更高集成度和更高復(fù)雜度的三維系統(tǒng)中發(fā)揮作用，例如用于高性能芯片、電池、電動(dòng)汽車等。其實(shí)，只要涉及到散熱管理的領(lǐng)域，它都能找到潛在應(yīng)用。另外，本次論文被Advanced Materials選為封面，我也被該期刊授予‘材料研究領(lǐng)域杰出女性科學(xué)家’的稱號。”四川大學(xué)校友、新加坡南洋理工大學(xué)博士后何虹瑩表示。日前，她和所在團(tuán)隊(duì)利用二維氮化硼陶瓷片在特定方向上具有超高熱導(dǎo)的性質(zhì)，并針對材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，最終造出一款新型熱界面材料。

本質(zhì)上，這款熱界面材料是一種電絕緣復(fù)合物材料。其具有重量輕、電絕緣的特性，在任意指定方向上都能產(chǎn)生高熱導(dǎo)效應(yīng)。也就是說，在使用時(shí)可以為這款熱界面材料，設(shè)計(jì)定制化、可控的的熱傳導(dǎo)路徑。實(shí)驗(yàn)中，本次熱界面材料取得了 12W/mK 的高熱導(dǎo)率，相比已知的同類電絕緣材料高出很多（約 5W/mK 及以下）。并且，該材料在熱導(dǎo)率上具有較好的穩(wěn)定性。

（來源：Advanced Materials）

同時(shí)，這款材料的機(jī)械性能也相對合適。此外，它還擁有極低的材料密度，以及適合于電子器件設(shè)計(jì)的電學(xué)性能。因此，有望提供具有高功率密度的三維電子熱管理解決方案。常規(guī)使用氮化硼制作的復(fù)合材料，所得到的熱導(dǎo)率并不理想。這是因?yàn)閮?nèi)部的氮化硼片呈散亂排列，因此無法將氮化硼片的高熱導(dǎo)方向統(tǒng)一利用起來。

這時(shí)，就需要對二維氮化硼片實(shí)現(xiàn)高度有序的微觀結(jié)構(gòu)排列取向。研究中，該團(tuán)隊(duì)將二維氮化硼片表面進(jìn)行磁化，以使其可以對極弱磁場產(chǎn)生響應(yīng)，這樣就能通過控制磁場方向，從而靈活、精確地調(diào)控氮化硼片的微觀取向。對于這種制備方法，他們將其稱為 MASC（magnetically assisted slip casting）。MASC 制備法具備綠色、便捷的特點(diǎn)，全程只需使用水作為溶劑。干燥之后，就可以得到最終的熱界面材料，根本無需額外燒結(jié)等后處理步驟。使用這種制備方法，可以帶來不同尋常的高熱導(dǎo)效果。更有趣的是，當(dāng)對氮化硼片的空間取向進(jìn)行任意調(diào)控，相應(yīng)的熱傳導(dǎo)方向也會(huì)沿著氮化硼微觀結(jié)構(gòu)取向的方向?qū)崿F(xiàn)快速傳導(dǎo)。

（來源：Advanced Materials）

相比常規(guī)的導(dǎo)熱技術(shù)，本次方法可以有目的性地將熱量引導(dǎo)至特定區(qū)域，這好比為熱傳導(dǎo)搭建一條“高速公路”，讓它沿著所規(guī)劃的高速路徑去傳導(dǎo)，并能到達(dá)指定的區(qū)域，從而獲得更高效的熱管理效果。同時(shí)，這種磁控取向的方式，給熱界面材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很大便利性。也為調(diào)控更多復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，注入了更多的可能。此外，熱量本身也是一種寶貴的能源，如能很好地引導(dǎo)傳遞熱量、收集熱量，或許也可能會(huì)在解決能源問題上取得一定應(yīng)用。

日前，相關(guān)論文以《具有內(nèi)部設(shè)計(jì)的高導(dǎo)熱性路徑的三維電子封裝的微結(jié)構(gòu)二維氮化硼陶瓷片復(fù)合材料》（Microstructured BN composites with internally designed high thermal conductivity paths for 3D electronic packaging）為題發(fā)在Advanced Materials上 [1]，何虹瑩是第一作者。

為熱傳導(dǎo)搭建一條“高速公路”

當(dāng)前，人類正處于科技快速發(fā)展的時(shí)期。相應(yīng)的，電子器件也正朝著小型、高集成、高功率的方向快速發(fā)展。隨著功率密度的增加，電子設(shè)備的發(fā)熱量會(huì)顯著增長，這會(huì)給電子器件的散熱問題帶來新的挑戰(zhàn)。

如果器件在使用過程中產(chǎn)生大量的熱量，但卻無法提供及時(shí)有效的散熱，那么器件的壽命和穩(wěn)定性都會(huì)受到影響。這時(shí)，熱管理的重要性便會(huì)凸顯出來。傳統(tǒng)解決方案是在電子封裝中使用具有較高熱導(dǎo)率的熱界面材料，針對電子元件產(chǎn)生的熱量，通過熱界面材料快速的向上傳導(dǎo)到散熱器，從而達(dá)到冷卻的效果。但是，可以預(yù)見的是當(dāng)電子元件的集成度邁向更高要求，尤其是向三維空間設(shè)計(jì)拓展，例如說將芯片堆疊成為雙層或多層結(jié)構(gòu)時(shí)，傳統(tǒng)的熱界面材料就無法有效地解決散熱問題。

（來源：Advanced Materials）

在這種情況下，如果直接將兩塊堆疊芯片產(chǎn)生的熱量單一的向上或向下傳導(dǎo)，都會(huì)對彼此造成干擾甚至產(chǎn)生局部過熱。因此，何虹瑩和所在團(tuán)隊(duì)給出的解決方案是：設(shè)計(jì)具有高熱導(dǎo)率的新型熱界面材料，并讓其具備控制熱量向特定方向傳導(dǎo)的能力。這樣就可以將三維堆疊電子元件中產(chǎn)生的熱量，有目的性地引導(dǎo)至特定區(qū)域（例如側(cè)邊），從而實(shí)現(xiàn)有效的散熱。

如前所述，此次研發(fā)的熱界面材料是一種電絕緣復(fù)合物材料。為了讓這種材料擁有高熱導(dǎo)性能，課題組選擇二維氮化硼作為主要的導(dǎo)熱材料，并選擇適量的聚合物作為粘結(jié)劑。在此基礎(chǔ)之上，需要不斷優(yōu)化材料的組成和微觀結(jié)構(gòu)，例如研究不同的原材料尺寸、復(fù)合物漿體的濃度、不同的成分設(shè)計(jì)、以及不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對于最終成品的影響。

（來源：Advanced Materials）

這樣的影響往往是多方面的，最直觀的影響體現(xiàn)在：微觀結(jié)構(gòu)的取向排列會(huì)被改變。事實(shí)上，當(dāng)采用不同的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，也會(huì)給材料的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等性能帶來改變。擔(dān)任論文一作的何虹瑩表示：“我花費(fèi)一年左右的時(shí)間來完成這個(gè)工作，但是在接近實(shí)驗(yàn)成功的‘黎明之前’，很長一段時(shí)間都無法突破一個(gè)瓶頸。那段時(shí)間我的壓力比較大，一個(gè)周末我決定去徒步行走釋放一下壓力。”

那個(gè)地方是新加坡的一個(gè)自然保護(hù)區(qū)，就像一個(gè)原始森林一樣。進(jìn)去以后要么走完全程、要么原路返回，中間根本沒有別的路可以直接出去。剛走進(jìn)去的時(shí)候還是晴空萬里，走到一半的時(shí)候突然變成瓢潑大雨。“當(dāng)時(shí)，我進(jìn)退兩難，在大雨里全都濕透了。眼前只有大雨、坑坑洼洼的泥地，還有看不到頭的森林。后來，我索性不管那么多了，直接硬著頭皮往前走，走到最后接近終點(diǎn)的時(shí)候，反而雨也停了。”她說。很巧的是，在之后的一個(gè)星期之內(nèi)，她的實(shí)驗(yàn)測試取得了成功。“雨中行走和實(shí)驗(yàn)成功這兩件事讓我印象非常深刻。那次的經(jīng)歷也讓我有所感悟，在迷茫掙扎的時(shí)候干脆少想一些，咬咬牙堅(jiān)持下去，說不定距離成功只差那么一點(diǎn)點(diǎn)。”何虹瑩表示。

目前基于這項(xiàng)研究，她和所在課題組正在測試在不同實(shí)際場景中的效果，也在尋找合作伙伴探索商業(yè)化的潛在可能。此外，他們還打算把這項(xiàng)成果用于更復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步嘗試在傳熱控制上的更多突破。前面講到，何虹瑩是川大校友。而在讀博之前，她從出生到本科都在川渝地區(qū)。作為一名土生土長的重慶妹子，她在離家不遠(yuǎn)的四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院完成了本科學(xué)習(xí)。讀完本科之后，她來到新加坡國立大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院攻讀直博。博士畢業(yè)之后，又來到新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與航天學(xué)院從事博后研究。

功能陶瓷、陶瓷復(fù)合材料和鐵電，是她的主要研究方向。對此何虹瑩表示：“我的父母都在從事陶瓷材料方向的研究工作，所以我從小耳濡目染，對于這些材料也很感興趣。”這些小小的材料具有各種有趣的性能，能在實(shí)際生活中發(fā)揮巨大的作用。另外，當(dāng)真正接觸到功能材料這個(gè)領(lǐng)域之后，她也發(fā)現(xiàn)了材料科學(xué)的魅力，因此非常愿意深耕于這個(gè)領(lǐng)域。