摘要
在集成电路和电子设备不断增加的功率和封装密度的推动下，通过热界面材料 (TIM) 将多余热量从热点有效散发到散热器是保持系统可靠性和性能的日益增长的需求。近年来，由于石墨烯的超高固有热导率，基于石墨烯的 TIM 受到了广泛关注。然而，这种 TIM 的冷却效率仍然受到一些技术困难的限制，例如石墨烯的生产诱导缺陷、石墨烯在基体中的排列不良以及石墨烯/石墨烯或石墨烯/基体界面处的强声子散射。在这项研究中，由垂直排列、共价键合的石墨烯纳米壁 (GNW) 组成的 120 µm 厚的独立薄膜是通过中间等离子体化学气相沉积生长的。在用硅树脂填充 GNW 后，制造的粘合剂 TIM 在 5.6 wt% 的低石墨烯负载下表现出 20.4 W m-1 K-1 的高贯穿平面热导率。在 TIM 性能测试中，基于 GNW 的 TIM 的冷却效率比最先进的商用 TIM 的冷却效率高约 1.5 倍。TIM 实现了高透平面热导率和小粘合线厚度之间的理想平衡，为抑制大功率发光二极管芯片的发光性能下降提供了卓越的冷却性能。相关论文以题为Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling发表在《Advanced Functional Materials》上。湖南大学陈鼎教授、南方科技大学邬苏东副教授、和中科院宁波材料技术与工程研究所林正得研究员为该论文的共同通讯作者。
主图
GNW 的制备和表征
图1 a) 自制内质体 CVD 系统的照片。b) GNW 的生长机制。c) 生长的 GNW 薄膜。d,e) GNW 的横截面和 f) 表面 SEM 图像。g,h) 相应的 TEM 图像。i) XRT 分析显示了 GNW 薄膜的内部结构。j) XRD 图案和 k) GNW 的拉曼光谱。
GNW/PDMS 复合材料的制备和热性能
图2 a) 独立式复合薄膜的制造过程。b) 在 PDMS 浸润前后 GNW 和复合材料的表面形态。复合膜表现出 c) 易于成型、出色的可折叠性和 d) 良好的自粘性。e) 样品的面内和面内热扩散率/电导率。f) 红外图像和 g) 该复合材料和纯钛的相应表面温度随加热时间的变化。h) 样品的 TGA 曲线。
图3 a）该工作与具有不同类型石墨烯结构的其他聚合物复合材料之间沿优选热传导方向的特定 TCE 的比较。b) 计算出的通过范德华 (vdW) 相互作用和共价键连接的相邻石墨烯之间的界面热阻 (R)。c) (a) 中这些类型的复合材料沿优选热传导方向的传热性能的模拟比较。
GNW-TIM的散热性能
图4 a) 显示用于 TIM 性能评估的系统配置的插图。加热器的表面温度随 b) 加热时间（输入功率：30 W）和 c) 300 秒加热后不同输入功率的变化而变化。d) GNW-TIM 良好的热循环稳定性。e) 作为有效热导率函数的加热器温度。f) 模拟比较表明使用 GNW-TIM 提高了冷却效率。
图5 a) 商用 LED 模块的照片和 b) LED 灯散热的实验配置。c) LED 灯的表面温度随运行时间的变化和 d) 相应的红外图像。
图6 a) 基于积分球的大功率LED灯发光特性测量配置。b) 使用两个 TIM 的 LED 灯在点亮 300 秒后的稳态温度。相应的 c) 光通量 (LF)、d) 发光效率 (LE)、e) 转换效率 (CE) 和 f) 作为运行时间函数的显色指数 (CRI)。
总结
在这项研究中，通过中间等离子体 CVD 制备了由高质量、垂直排列和共价键合的 GNW 组成的薄层，其生长速度比使用传统的等离子体增强 CVD 快两个数量级，从而实现了独立薄膜为 TIM 应用提供精确可控的厚度。填充 PDMS 后，该 GNW-TIM 在 5.6 wt% 的低石墨烯含量下具有 20.4 W m-1 K-1 的平面热导率，显示出 2006 年的超高比 TCE、良好的热震稳定性和优异的粘合性能。模拟结果证明了形成共价键合石墨烯结构对提高复合材料的热导率的好处，这是基于与剥离石墨烯组件相比低得多的界面热阻 (0.4%)。TIM 性能评估表明，GNW-TIM 的冷却效率比最先进的导热垫（≈5.0 W m-1 K-1）高 ≈1.5 倍，这归因于不仅更高GNW-TIM 的平面热导率，但由于 GNW-TIM 的低压缩模量源于非常低的填料含量，因此也降低了接触热阻 (37.4%)。该样品的高冷却效率对抑制大功率LED芯片发光性能的下降有很大帮助。研究结果为未来的研究提供了见解，以制造具有最佳填料结构设计的高性能 TIM，以实现电子/光电设备的高效冷却。
参考文献
doi.org/10.1002/adfm.202104062
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