开发先进的热界面材料来连接发热芯片和散热器，构建高效的传热通路，是解决大功率半导体器件热管理问题的关键技术。本文结合机械定向和表面改性策略，构建了一个三层结构的热界面材料（TIM），主要包括中间的垂直排列的石墨烯和上下表面的微米厚的液态金属作为帽层。基于中间层合理的石墨烯取向调节，所得到的基于石墨烯的TIM表现出176 W m⁻¹ K⁻¹的超高热导率。此外，我们利用液态金属帽层与芯片/散热器形成了一个“液-固”接触界面，大大增加了有效传热面积，并在封装条件下给出了4-6 K mm² W⁻¹的低接触热阻。这项工作为石墨烯垂直结构TIM的实际应用提供了新思路。
Ultralow Interfacial Thermal Resistance of Graphene Thermal Interface Materials with Surface Metal Liquefaction
Wen Dai, Xing-Jie Ren, Qingwei Yan*, Shengding Wang, Mingyang Yang, Le Lv, Junfeng Ying, Lu Chen , Peidi Tao, Liwen Sun, Chen Xue, Jinhong Yu, Chengyi Song, Kazuhito Nishimura, Nan Jiang*, Cheng-Te Lin*
Nano-Micro Letters (2023)15: 9
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00979-2
本文亮点
1. 提出了一种三层热界面材料，其纵向导热系数高达176 W m⁻¹ K⁻¹，接触热阻低至4-6 K mm² W⁻¹(双面)。
2. 液态金属作为缓冲层，将垂直排列的石墨烯与粗糙的加热器/散热器连接起来，将有效接触热导提高了一个数量级以上。
内容简介
开发石墨烯基TIM的一条有效策略是：将石墨烯形成垂直排列的结构，使石墨烯的面内方向与TIM的传热方向一致。然而，目前报道的垂直排列的石墨烯TIM，其实际界面传热效率远远不能令人满意。一个关键因素是TIM和芯片/散热器之间的实际接触面积有限，导致垂直石墨烯和芯片/散热器表面形成的“固-固”界面的接触热阻相对较高（20-30 K mm² W⁻¹）。中国科学院宁波材料工程与技术研究所林正得研究员与合作者通过结合机械定向和表面改性，开发了液体金属改性的垂直排列石墨烯整体（LM-VAGM）。所获得的LM-VAGM具有三层结构，主要由中间垂直排列的石墨烯和上下表面上作为盖层的微米厚液态金属组成。基于合理的结构和表面设计，LM-VAGM表现出176 W m⁻¹ K⁻¹的超高纵向热导率和4–6 K mm² W⁻¹的低接触热阻。LM-VAGM与最先进的商用TIM之间的实际传热效率的比较表明，我们提出的用于冷却电子设备的TIM具有优异的界面传热效率。这一发现不仅提出了高性能TIM的设计理念，还为垂直排列石墨烯结构的高接触热阻这一常见问题提供了可行的解决方案，大大提高了石墨烯在电子热管理中实际应用的可能性。
图文导读
I LM – VAGM的制备及结构表征
夹层结构LM-VAGM的制备过程分为两个步骤：首先以VAGM为中间层，然后使用液态金属（LM）进行表面改性以形成帽层。VAGM的设计理念是以石墨烯纸为原料，然后进行机械取向过程，将石墨烯纸内部水平排列的石墨烯转化为垂直排列。从石墨烯纸到VAGM的制备过程和结构转变分别如图1所示。
图1. (a-b)VAGM的结构调制概念和制备工艺示意图；(c)石墨烯纸的照相、(d)横断面和(e)全视图扫描电镜图像；(f)褶皱石墨烯纸、HSGM和VAGM的照片，对应的截面和俯视图SEM图像见(g-l)。
II 基于液态金属镓的表面改性
当VAGM制备完成后，进行了基于液态金属镓的表面改性以制备LM-VAGM（图2）。为了解决镓和石墨烯润湿性差的问题，VAGM的上下表面通过电子束蒸发进行预镀钛/金（Ti/Au）的。随后，基于真空热蒸发过程，通过在Ti/Au涂层VAGM表面装饰微米厚的液态镓，可以得到所得的LM-VAGM，如图2b所示的相应结构示意图。LM-VAGM具有2.25 MPa低压缩模量，表现出优异的柔韧性和弯曲性。
图2. 从VAGM到LM-VAGM的制备过程示意图及LM-VAGM的结构特征。(c)照片，(d)表面形貌，(e, f)俯视图VAGM SEM图像；(g)照片，(h)表面形貌，(i, j )LM-VAGM的俯视图SEM图像；(k)LM-VAGM的典型截面SEM图像，对应的单元映射如图l。(m) VAGM和LM-VAGM的压缩应力-应变曲线；(n)获得的LM-VAGM具有良好的弯曲性。
III LM – VAGM的本征导热性能
基于以垂直排列的石墨烯为中间层的特征夹层结构，LM-VAGM沿垂直方向具有176 W m⁻¹ K⁻¹的超高纵向热导率，高于迄今为止报道的基于各种垂直结构的大多数导热材料，包括垂直排列的金属纳米线，碳纤维，碳纳米线，石墨烯纳米壁和石墨烯整体。
图3. (a)石墨烯纸的面内导热系数和HSGM、VAGM和LM-VAGM的纵向导热系数(κ⊥)；(b)基于垂直排列结构的LM-VAGM⊥与已报道的导热材料的比较；(c)沿垂直方向的换热能力测试平台，其结果表面温度变化及对应的红外图像分别如图(d)和(e)所示；LM-VAGM的(k – f)环境温度和(g)高低温循环的函数。
IV LM – VAGM的超低热阻
我们利用液态金属帽层与芯片/散热器形成了一个“液-固”接触界面，大大增加了有效传热面积，并在封装条件下给出了4-6 K mm² W⁻¹的低接触热阻。
图4. (a)基于改进的ASTM D5470方法的TIM性能测量原理示意图，其中VAGM和LM-VAGM的κ⊥、Rbulk和Rcontact如(b-d)所示，VAGM和LM-VAGM的原始厚度为800 μm；(e )VAGM与散热器粗糙表面接触状态示意图；(f) VAGM/散热器配合界面的模拟温度曲线；(g) VAGM/散热器配合接口散热片上表面温度分布。与散热器接触的LM-VAGM情况相同。
V LM – VAGM在实际工况下的散热性能
为了比较LM-VAGM和VAGM与TIM在实际封装条件下的界面传热效率，建立了大功率电子器件的冷却装置。与VAGM和商用的Carbonaut导热垫相比，使用LM-VAGM作为热界面材料的散热效率分别提高了49.8%和41.1%。
图5. TIM性能测量系统的(a)实验设置和(b) 原理图配置；(c)在施加功率为200 w时，热源温度的变化与加热时间的关系；(d, e)热源稳态温度与施加功率的关系；(f)应用TIM的模拟有效热导率和总热阻作为热源温度的函数；(g)使用VAGM、Carbonaut热垫和LM-VAGM作为热界面材料的模拟温度证明；(h)循环加热/冷却试验中以LM-VAGM作为冷却系统热界面材料的热循环稳定性。
作者简介
林正得
本文通讯作者
中科院宁波材料工程与技术研究所
▍主要研究领域
（1）电子封装热管理材料；
（2）生医传感器与医疗器械关键阀控部件。
▍主要研究成果
2008年毕业于台湾清华大学，取得材料专业博士。2010–2012年于台湾中央研究院、2012–2014年于美国麻省理工学院(MIT)担任博士后，2014年6月加入了中科院宁波材料所。加入材料所以来，累计已发表SCI论文两百余篇，文章总引用数超过了15,000次，H指数为59 (Google Citations)，其中以通讯作者发表了ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Biosensors & Bioelectronics等期刊论文。入选了科睿唯安2022年全球“高被引科学家”名单。长期担任一区期刊Biosensors & Bioelectronics副主编。
▍Email：linzhengde@nimte.ac.cn
▍课题组网站：https://www.researchgate.net/profile/Cheng-Te-Lin/research
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