石墨烯奈米壁基柔軟自膠粘熱介面材料，用於高效微電子冷卻
摘要
在積體電路和電子裝置不斷增加的功率和封裝密度的推動下，透過熱介面材料 （TIM） 將多餘熱量從熱點有效散發到散熱器是保持系統可靠性和效能的日益增長的需求。近年來，由於
石墨烯
的超高固有熱導率，基於石墨烯的 TIM 受到了廣泛關注。然而，這種 TIM 的冷卻效率仍然受到一些技術困難的限制，例如石墨烯的生產誘導缺陷、石墨烯在基體中的排列不良以及石墨烯/石墨烯或石墨烯/基體介面處的強聲子散射。在這項研究中，由垂直排列、共價鍵合的石墨烯奈米壁 （GNW） 組成的 120 μm 厚的獨立薄膜是透過中間等離子體化學氣相沉積生長的。在用
矽樹脂填充 GNW 後
，製造的
粘合劑 TIM 在 5.6 wt% 的低石墨烯負載下表現出 20.4 W m-1 K-1 的高貫穿平面熱導率
。在 TIM 效能測試中，基於 GNW 的 TIM 的冷卻效率比最先進的商用 TIM 的冷卻效率高約 1。5 倍。TIM 實現了高透平面熱導率和小粘合線厚度之間的理想平衡，為抑制大功率發光二極體晶片的發光效能下降提供了卓越的冷卻效能。相關論文以題為
Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned， Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling
發表在《
Advanced Functional Materials
》上。湖南大學
陳鼎教授
、南方科技大學
鄔蘇東副教授
、和中科院寧波材料技術與工程研究所
林正得研究員
為該論文的共同通訊作者。
主圖
GNW 的製備和表徵
圖1
a） 自制內質體 CVD 系統的照片。b） GNW 的生長機制。c） 生長的 GNW 薄膜。d，e） GNW 的橫截面和 f） 表面 SEM 影象。g，h） 相應的 TEM 影象。i） XRT 分析顯示了 GNW 薄膜的內部結構。j） XRD 圖案和 k） GNW 的拉曼光譜。
GNW/PDMS 複合材料的製備和熱效能
圖2
a） 獨立式複合薄膜的製造過程。b） 在 PDMS 浸潤前後 GNW 和複合材料的表面形態。複合膜表現出 c） 易於成型、出色的可摺疊性和 d） 良好的自粘性。e） 樣品的面內和麵內熱擴散率/電導率。f） 紅外影象和 g） 該複合材料和純鈦的相應表面溫度隨加熱時間的變化。h） 樣品的 TGA 曲線。
圖3
a）該工作與具有不同型別石墨烯結構的其他聚合物複合材料之間沿優選熱傳導方向的特定 TCE 的比較。b） 計算出的透過範德華 （vdW） 相互作用和共價鍵連線的相鄰石墨烯之間的介面熱阻 （R）。c） （a） 中這些型別的複合材料沿優選熱傳導方向的傳熱效能的模擬比較。
GNW-TIM的散熱效能
圖4
a） 顯示用於 TIM 效能評估的系統配置的插圖。加熱器的表面溫度隨 b） 加熱時間（輸入功率：30 W）和 c） 300 秒加熱後不同輸入功率的變化而變化。d） GNW-TIM 良好的熱迴圈穩定性。e） 作為有效熱導率函式的加熱器溫度。f） 模擬比較表明使用 GNW-TIM 提高了冷卻效率。
圖5
a） 商用 LED 模組的照片和 b） LED 燈散熱的實驗配置。c） LED 燈的表面溫度隨執行時間的變化和 d） 相應的紅外影象。
圖6
a） 基於積分球的大功率LED燈發光特性測量配置。b） 使用兩個 TIM 的 LED 燈在點亮 300 秒後的穩態溫度。相應的 c） 光通量 （LF）、d） 發光效率 （LE）、e） 轉換效率 （CE） 和 f） 作為執行時間函式的顯色指數 （CRI）。
總結
在這項研究中，透過中間等離子體 CVD 製備了由高質量、垂直排列和共價鍵合的 GNW 組成的薄層，其生長速度比使用傳統的等離子體增強 CVD 快兩個數量級，從而實現了獨立薄膜為 TIM 應用提供精確可控的厚度。填充 PDMS 後，該 GNW-TIM 在 5。6 wt% 的低石墨烯含量下具有 20。4 W m-1 K-1 的平面熱導率，顯示出 2006 年的超高比 TCE、良好的熱震穩定性和優異的粘合效能。模擬結果證明了形成共價鍵合石墨烯結構對提高複合材料的熱導率的好處，這是基於與剝離石墨烯元件相比低得多的介面熱阻 （0。4%）。TIM 效能評估表明，GNW-TIM 的冷卻效率比最先進的導熱墊（≈5。0 W m-1 K-1）高 ≈1。5 倍，這歸因於不僅更高GNW-TIM 的平面熱導率，但由於 GNW-TIM 的低壓縮模量源於非常低的填料含量，因此也降低了接觸熱阻 （37。4%）。該樣品的高冷卻效率對抑制大功率LED晶片發光效能的下降有很大幫助。
研究結果為未來的研究提供了見解，以製造具有最佳填料結構設計的高效能 TIM，以實現電子/光電裝置的高效冷卻。
參考文獻
doi。org/10。1002/adfm。202104062
