哈工大&中科院半导体所《Carbon》：具有竖直取向的石墨纳米片热界面材料

研究背景

电子器件持续的小型化趋势使得芯片的功率密度不断增加，带来的芯片散热问题成为芯片封装中重要的一环。而具有高纵向热导率的热界面材料可以将芯片多余的热量传导耗散，从而保证芯片高效、稳定地运行。石墨纳米片具备比较高的热导率，制备工艺简单，来源广泛，是制备导热材料优选的填料。不过石墨纳米片优异的热导率体现在其平面方向上，纵向上其热导率很低，如何高效利用各向异性的石墨纳米片来给芯片散热成为研究的热点。

本文亮点

该项目的创新点在于：(1) 通过一系列的界面工程实现了石墨纳米片在热界面材料中的竖直排列，从而充分利用石墨纳米片的导热特性，让热界面材料具备突出的纵向热导率，其热导率为26.3 W(m K)^-1；(2) 制备工艺具备大规模化生产的基础。

近日，哈尔滨工业大学材料学院和中科院半导体所利用石墨纳米片优异的导热特性，研制了基于石墨纳米片的热界面材料。为了能充分利用石墨纳米片优异的平面导热特性，作者先是通过涂膜获得了几十微米厚，具备高度水平取向的石墨纳米片复合薄膜，再利用热压和切割工艺获得了高度竖直取向的石墨纳米片热界面材料。这一材料中，纵向热导率为26.3 W(m K)^-1。此外，通过特定的切割设备，可以保证材料的厚度可控。该方法为制备热界面材料开辟了道路，尤其是二维填料制备热界面材料提供了思路。

图1 取向石墨纳米片热界面材料的制备工艺图

超声剥离制备石墨纳米片(GNP)，并将其与聚氨酯(PU)混合均匀，涂膜制备GNP/PU 复合薄膜。再将其逐层叠加，热压和切割制备了具有高纵向导热的热界面材料。

图2 取向石墨纳米片热界面材料的显微结构示意图

对比材料涂膜和热压后的微观形貌，SEM结果表明，热压后石墨纳米片在复合材料内部的取向会进一步的增加。最后切割完成后的热界面材料中，石墨纳米片呈现竖直排列的特征。高度取向的石墨纳米片填料可以大大降低声子传输中的热阻，提高导热。

图3 取向石墨纳米片热界面材料的散热效果图

将取向石墨纳米片热界面材料与市售的热界面材料 (5 W（m K）^-1)相比，芯片的温度在多个功率下均有不小的降幅。最高在20W功率下，芯片温度降低了42.3℃。

相关成果以“Highly conductive thermal interface materials with vertically aligned graphite-nanoplatelet filler towards: High power density electronic device cooling”为题发表于期刊Carbon [182 (2021) 445-453]上，吴绪磊博士为文章的第一作者，王华涛副教授和钟博教授是论文的通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.048