哈工大&中科院半導體所《Carbon》：具有豎直取向的石墨納米片熱界面材料

研究背景

電子器件持續的小型化趨勢使得芯片的功率密度不斷增加，帶來的芯片散熱問題成為芯片封裝中重要的一環。而具有高縱向熱導率的熱界面材料可以將芯片多余的熱量傳導耗散，從而保證芯片高效、穩定地運行。石墨納米片具備比較高的熱導率，制備工藝簡單，來源廣泛，是制備導熱材料優選的填料。不過石墨納米片優異的熱導率體現在其平面方向上，縱向上其熱導率很低，如何高效利用各向異性的石墨納米片來給芯片散熱成為研究的熱點。

本文亮點

該項目的創新點在于：(1) 通過一系列的界面工程實現了石墨納米片在熱界面材料中的豎直排列，從而充分利用石墨納米片的導熱特性，讓熱界面材料具備突出的縱向熱導率，其熱導率為26.3 W(m K)^-1；(2) 制備工藝具備大規模化生產的基礎。

近日，哈爾濱工業大學材料學院和中科院半導體所利用石墨納米片優異的導熱特性，研制了基于石墨納米片的熱界面材料。為了能充分利用石墨納米片優異的平面導熱特性，作者先是通過涂膜獲得了幾十微米厚，具備高度水平取向的石墨納米片復合薄膜，再利用熱壓和切割工藝獲得了高度豎直取向的石墨納米片熱界面材料。這一材料中，縱向熱導率為26.3 W(m K)^-1。此外，通過特定的切割設備，可以保證材料的厚度可控。該方法為制備熱界面材料開辟了道路，尤其是二維填料制備熱界面材料提供了思路。?

圖1?取向石墨納米片熱界面材料的制備工藝圖

超聲剝離制備石墨納米片(GNP)，并將其與聚氨酯(PU)混合均勻，涂膜制備GNP/PU 復合薄膜。再將其逐層疊加，熱壓和切割制備了具有高縱向導熱的熱界面材料。

圖2 取向石墨納米片熱界面材料的顯微結構示意圖

對比材料涂膜和熱壓后的微觀形貌，SEM結果表明，熱壓后石墨納米片在復合材料內部的取向會進一步的增加。最后切割完成后的熱界面材料中，石墨納米片呈現豎直排列的特征。高度取向的石墨納米片填料可以大大降低聲子傳輸中的熱阻，提高導熱。

圖3 取向石墨納米片熱界面材料的散熱效果圖

將取向石墨納米片熱界面材料與市售的熱界面材料?(5 W（m K）^-1)相比，芯片的溫度在多個功率下均有不小的降幅。最高在20W功率下，芯片溫度降低了42.3 ^oC。

相關成果以“Highly conductive thermal interface materials with vertically aligned graphite-nanoplatelet filler towards: High power density electronic device cooling”為題發表于期刊Carbon [182 (2021) 445-453]上，吳緒磊博士為文章的第一作者，王華濤副教授和鐘博教授是論文的通訊作者。

原文鏈接：?https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.048

本文由作者投稿。