中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
隨著(zhù)電子器件向高性能、小型化發(fā)展，芯片功率密度提升帶來(lái)的熱管理問(wèn)題成為制約器件穩定性的關(guān)鍵瓶頸。通常，碳基高導熱材料在面內熱導率超過(guò)1500W/m·K時(shí)，面外熱導率普遍低于8W/m·K，難以滿(mǎn)足高功率器件三維熱傳導需求。
針對上述問(wèn)題，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所聯(lián)合寧波大學(xué)，提出以芳綸膜為前驅體，通過(guò)高溫石墨化工藝制備低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導熱石墨膜，并在膜厚度達40微米的情況下，實(shí)現面內熱導率Kin達1754W/m·K，面外熱導率Kout突破14.2W/m·K。
傳統石墨膜制備以氧化石墨烯或聚酰亞胺為原料，通常面臨氣體逸散導致的結構缺陷難題。該研究提出選用芳綸膜作為前驅體，并利用其低氧含量與氮摻雜特性，在3000 ℃高溫處理時(shí)實(shí)現缺陷自修復、晶粒定向生長(cháng)及氣體逸散優(yōu)化。同時(shí)，芳綸中氮原子促進(jìn)晶格缺陷修復，退火后雙向高導熱石墨膜缺陷指標ID/IG低至0.008，且芳綸分子中有序苯環(huán)為石墨晶格提供生長(cháng)模板，使面內晶粒尺寸達2179nm、面外有序堆疊尺寸達53nm。研究表明，雙向高導熱石墨膜通過(guò)結構調控展現出優(yōu)異的雙向導熱性能，即面內熱導率達1754W/m·K，較同條件下氧化石墨烯衍生膜提升了17%；面外熱導率突破碳基薄膜面外熱導率瓶頸，達14.2W/m·K，提升了118%；亂層堆垛比例為1.6%，接近理想石墨AB堆疊結構。
與傳統導熱膜相比，雙向高導熱石墨膜在面內、面外熱導率及缺陷控制上均表現出顯著(zhù)優(yōu)勢。在智能手機散熱模擬中，搭載雙向高導熱石墨膜的芯片表面最高溫度從52℃降至45℃。同時(shí)，在2000W/cm2熱流密度的高功率芯片散熱中，AGFs使芯片表面溫差從50℃降至9℃，實(shí)現快速溫度均勻化。
這一研究揭示了芳綸前驅體在石墨膜制備中的獨特優(yōu)勢，證明了氮摻雜與低氧含量前驅體可提升石墨膜結晶質(zhì)量和雙向導熱特性，有望為5G芯片、功率半導體等高功率器件熱管理提供關(guān)鍵材料和技術(shù)支撐。
近期，相關(guān)研究成果以Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。 研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )等的支持。
雙向高導熱石墨膜的導熱性能及其在電子熱管理中的應用
雙向高導熱石墨膜制備機制示意圖
