林正得课题组ACS Nano：高导热材料热界面研究取得进展

tianliang

随着半导体器件朝着微型化、高度集成化方向发展所带来的功率密度的提高，电子设备的发热量越来越大，热失效已经成为阻碍电子设备性能和寿命的首要问题。据统计，电子器件的温度每升高10℃-15℃，其相应的使用寿命将会降低50%。高效的热管理技术是解决这一问题的关键，其中一种有效的方法就是在发热源和散热器之间填充一层热界面材料。性能优异的热界面材料需要同时具有高的导热系数和良好的可压缩性，但是这两个特征很难同时满足。比如大多数金属具有高的导热系数（70Wm-1K-1–400Wm-1K-1），但是其压缩模量也很高（70GPa–120GPa），难以填充发热芯片和热沉之间的缝隙；而硅胶虽然具有很低的压缩模量（0.3MPa–2MPa），但是其导热系数只有0.1Wm-1K-1–0.3Wm-1K-1，难以满足热界面材料对纵向热传导的需求。在硅胶中加入高导热的填料虽然可以提高导热系数，但同时也提高了压缩模量。据相关文献报道，在PDMS中加入垂直排列的碳纳米管阵列后，面外热导率提高到25Wm-1K-1，但是压缩模量也增加到10MPa。因此，开发同时具有高导热系数和低压缩模量的热界面材料尤为重要。

　　近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所表面事业部功能碳素材料林正得课题组制备了一种基于垂直排列石墨烯结构的具有高导热系数低压缩模量的热界面材料。该材料的制备过程：对抽滤的石墨烯纸施加横向机械力，使石墨烯具有褶皱结构，然后施加压力得到密实的石墨烯导热垫。该方法使得石墨烯纸的取向由水平变成垂直，实现了石墨烯纸水平传热到垂直传热的转变。

　　图1（a–k）为石墨烯导热垫在制备过程中各阶段的形貌变化，最终的石墨烯导热垫在微观上呈现多层结构，中间以垂直排列的石墨烯为主，顶部和底部有一薄层水平排列的石墨烯，整体结构与蜂巢板类似（如图1（l））。实验所用的作为原料的石墨烯纸的面内热导率为273Wm-1K-1，经过结构转制之后所得到的石墨烯导热垫的纵向热导率为143Wm-1K-1（转化率达52%），已经超过了大多数的金属（如Mo、Zn、In、Ni、Fe等）。除了拥有高的导热系数，该石墨烯导热垫还具有与硅胶相当的压缩模量，仅有0.87MPa，远低于金属材料（图3d），有利于在封装时产生变形，实现较低的接触热阻。在30%压缩率下，石墨烯导热垫的面外热导率仍超过了100Wm-1K-1，接触热阻低至5.8Kmm2 W-1。

　　在实际的热界面性能评测实验中，以石墨烯导热垫作为热界面材料的系统热源温降达到65℃，远高于应用商用热界面材料所实现的温降（38℃）。CFD仿真软件对散热过程的模拟，结果显示石墨烯导热垫的接触热阻低于主流的商用导热垫。在图4f中，石墨烯导热垫表现出了良好的热循环稳定性，在经过2500次热冲击测试后散热性能波动低于0.5%；除此之外，该石墨烯导热垫还具有长时稳定性，在20Wcm-2的功率下连续工作7天，加热片与环境温度的差值无明显变化（图4g），显示出良好的热冲击稳定性以及长程稳定性。目前相关工作已经发表在ACS Nano (2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b05163)。该研究工作获得国家重点研发计划（2017YFB0406000）、中科院战略重点研究计划（XDA22000000）、中科院装备（YZ201640）、宁波市重大专项（2016S1002和2016B10038）以及宁波市国际合作（2017D10016）的资助。

石墨烯导热垫

图1 石墨烯导热垫的形貌变化

导热硅胶是高端的导热化合物，以及不会固体化，不会导电的特性可以避免诸如电路短路等风险。导热粘接密封硅橡胶是单组份、导热型、室温固化有机硅粘接密封胶。是通过空气中的水份发生缩合反应放出低分子引起交联固化，而硫化成高性能弹性体。具有卓越的抗冷热交变性能、耐老化性能和电绝缘性能。并具有优异的防潮、抗震、耐电晕、抗漏电性能和耐化学介质性能。可持续使用-60〜～280°C且保持性能。不溶胀并且对大多数金属和非金属材料具有良好的粘接性,能对电子元器。


林正得，博士，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，博士生导师，入选2014年中科院“百人计划”、2013年浙江省等人才引进项目。 2008年毕业于台湾清华大学，取得材料专业博士，读博期间以访问学者身份赴日本东京大学交流。2010–2012年于台湾中央研究院担任博士后研究员，开发石墨烯传感器件与能源应用。2012年于美国麻省理工学院(MIT)电子学实验室担任博士后，研制石墨烯超级电容器，2013年转任MIT机械系，从事石墨烯复合材料开发。2014年6月以“团队行动”加入中科院宁波材料所。累计已发表Nature Communications、Nano Letters、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Carbon等SCI论文29篇，近五年影响因子总和为198，全部文章的平均影响因子为7.8。另外拥有6篇石墨烯相关专利。 研究方向为：化学气相沉积法(CVD)生长石墨烯薄膜与其它二维原子层材料、石墨烯/高分子复合材料、三维石墨烯结构、以及在热管理、传感器、能源领域的应用。