隨著半導(dǎo)體器件功率密度的提高,“散熱”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(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%。因此,開發(fā)用于高功率密度熱管理的高性能熱界面材料顯得尤為重要。
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(tuán)隊(duì)與合作者制備了一種基于石墨烯紙的高性能熱界面材料。該材料的制備流程如圖1a所示:首先采用正硅酸乙酯(TEOS)于弱堿性環(huán)境中水解的方法在氧化石墨烯(GO)表面修飾納米二氧化硅顆粒(SiO2 NPs);然后將得到的GO/SiO2 NPs與石墨烯粉末混合,并采用抽濾的方法制備復(fù)合石墨烯薄膜,實(shí)現(xiàn)納米尺度的硅源(SiO2 NPs)均勻分布于石墨烯層間;最后對(duì)該復(fù)合石墨烯薄膜進(jìn)行快速熱處理,將硅源原位轉(zhuǎn)化成碳化硅納米線,得到具備碳化硅-石墨烯復(fù)式結(jié)構(gòu)的石墨烯紙(Graphene hybrid paper,GHP),其斷面結(jié)構(gòu)如圖1b所示。
由于連接于石墨烯層間的碳化硅納米線形成了縱向的導(dǎo)熱通路,GHP的縱向熱導(dǎo)率(10.9W/mK)相對(duì)于石墨烯紙(GP,6.8W/mK)提高了60%。另外,如圖1c所示,在75psi的壓應(yīng)力下,壓縮狀態(tài)下GHP的縱向熱導(dǎo)率被進(jìn)一步提高到17.6W/mK,高于傳統(tǒng)的石墨烯紙以及大部分的商用熱界面材料,包括導(dǎo)熱硅膠墊,導(dǎo)熱硅脂以及導(dǎo)熱凝膠等(圖1d)。
在實(shí)際的熱界面性能評(píng)測實(shí)驗(yàn)中,以GHP為熱界面材料的系統(tǒng)溫降高達(dá)18.3℃,超過商用熱界面材料溫降(8.9℃)的兩倍,散熱效率相提高了27.3%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2a-c所示。圖2d-e為CFD仿真軟件對(duì)散熱過程的模擬,結(jié)果顯示:GHP不僅有著較高的縱向熱導(dǎo)率,其接觸熱阻也低于主流的商用導(dǎo)熱墊。另外,相對(duì)于硅膠基的商用熱界面材料,GHP完全由無機(jī)的碳化硅和石墨烯組成,擁有更好的熱穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性。目前相關(guān)的工作已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano (2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b07337) 。
該研究工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0406000)、中科院裝備(YZ201640)、寧波市重大專項(xiàng)(2016S1002和2016B10038)以及寧波市國際合作(2017D10016)的資助。
圖1 GHP的制備流程及相關(guān)的結(jié)構(gòu)、性能表征
圖2 GHP的熱界面性能測試及仿真
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