一种用于芯片散热的复合相变热界面材料

来源 | Applied Thermal Engineering

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背景介绍

随着电子器件小型化、集成化、高功率化的快速发展，散热问题已成为微电子技术的主要瓶颈之一。需要注意的是，热界面材料(TIMs)被广泛用于填补电子元件与散热器接触界面处的气隙，因此在电子元件的散热中起着至关重要的作用。电子技术的进步需要开发高性能的TIM。增强导热系数是提高TIMs散热性能的一种非常有效的方法，这可以通过添加导热填料来实现。对于粘结厚度（BLT）和 接触热阻（TCR），它们与硬度密切相关。有报道称，采用固-液相变材料(PCMs)作为TIMs，即相变TIMs (PCTIMs)，其在吸收电子元件产生的热量后由固态变为液态，硬度显著降低，从而降低热阻。此外，PCTIMs在吸热前为固态，具有易于安装的优点。然而，目前的PCTIMs通常存在两个缺点，液体PCM泄漏和导热系数低。因此，开发高导热、形状稳定的PCTIMs对于实现高效散热具有重要意义。

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成果掠影

相变热界面材料(PCTIMs)受到越来越多的关注，但其导热系数低，难以显著改进。近期，华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室方晓明研究员取得新成果。该团队使用垂直排列的短切碳纤维(VASCFs)用于开发具有高导热性的PCTIMs，这是首次采用该方法开发PCTIMs。由于提供了完整的传热路径，VASCFs获得了最有效的导热增强效果，这一点在有限元模拟中得到了进一步验证。因此，将VASCFs掺入硅橡胶(SR)和石蜡(PA)的材料中，以制造形状稳定的相变材料。VASCFs/PA/SR材料的导热系数高达7.00 W/(m·K)，远高于之前报道的PCTIMs。更重要的是，PA相变引起的热阻降低导致VASCFs/PA/SR的散热性能更好，从而使VASCFs/PA/SR相变热垫具有实际应用潜力。研究成果以“Vertically aligned carbon fibers-penetrated phase change thermal interface materials with high thermal conductivity for chip heat dissipation ”为题发表于《Applied Thermal Engineering》。

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图文导读

图1.VASCFs/PA/SR相变导热垫片的制备工艺。

图2.不同导热垫片的有限元模拟模型，(a) MCFs/SR， (b) SCFs/SR， (c) VAMCFs/SR， (d) VASCFs /SR。

图3.(a)评价垫片散热性能的实验装置，(b)模拟计算机中央处理器冷却系统。

图4.不同体积分数的MCFs/SR、SCFs/SR、VAMCFs /SR和VAMCFs /SR热垫在30℃时的导热系数。

图5.(a)SCFs/SR,(b) VAMCFs/SR, (c, e) VASCFs/SR, (d, f)在CFs30 vol%含量的SEM图。

图6.填料为30 vol%时的温度分布和热流密度，(a.b)MCFs/SR，(c.d) SCFs/SR，(e.f)VAMCFs /SR，(g.h)VASCFs /SR。

图7.(a)不同PA体积分数的PA/SR照片,(b)不同PA体积分数(30 vol%， 35 vol%和40 vol%)下PA/SR的DSC曲线,(c)温度为70℃，压力为2.5 kPa，保温5h时PA/SR的质量损失曲线。

图7.采用VASCFs/SR垫片和VASCFs/PA/SR相变热垫片时，模拟芯片在加热功率为30 W时的温升曲线(a)和平衡温度(b)，以及散热原理示意图。

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