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隨著電子器件向高性能、小型化發(fā)展，芯片功率密度提升帶來的熱管理問題成為制約器件穩(wěn)定性的關(guān)鍵瓶頸。通常，碳基高導(dǎo)熱材料在面內(nèi)熱導(dǎo)率超過1500W/m·K時(shí)，面外熱導(dǎo)率普遍低于8W/m·K，難以滿足高功率器件三維熱傳導(dǎo)需求。

針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)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(qū)體，通過高溫石墨化工藝制備低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導(dǎo)熱石墨膜，并在膜厚度達(dá)40微米的情況下，實(shí)現(xiàn)面內(nèi)熱導(dǎo)率Kin達(dá)1754W/m·K，面外熱導(dǎo)率Kout突破14.2W/m·K。

傳統(tǒng)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷難題。該研究提出選用芳綸膜作為前驅(qū)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(xiàn)缺陷自修復(fù)、晶粒定向生長(zhǎng)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(fù)，退火后雙向高導(dǎo)熱石墨膜缺陷指標(biāo)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(zhǎng)模板，使面內(nèi)晶粒尺寸達(dá)2179nm、面外有序堆疊尺寸達(dá)53nm。研究表明，雙向高導(dǎo)熱石墨膜通過結(jié)構(gòu)調(diào)控展現(xiàn)出優(yōu)異的雙向?qū)嵝阅?，即面?nèi)熱導(dǎo)率達(dá)1754W/m·K，較同條件下氧化石墨烯衍生膜提升了17%；面外熱導(dǎo)率突破碳基薄膜面外熱導(dǎo)率瓶頸，達(dá)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(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)導(dǎo)熱膜相比，雙向高導(dǎo)熱石墨膜在面內(nèi)、面外熱導(dǎo)率及缺陷控制上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。在智能手機(jī)散熱模擬中，搭載雙向高導(dǎo)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(xiàn)快速溫度均勻化。

這一研究揭示了芳綸前驅(qū)體在石墨膜制備中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，證明了氮摻雜與低氧含量前驅(qū)體可提升石墨膜結(jié)晶質(zhì)量和雙向?qū)崽匦裕型麨?G芯片、功率半導(dǎo)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的支持。

論文鏈接

雙向高導(dǎo)熱石墨膜的導(dǎo)熱性能及其在電子熱管理中的應(yīng)用

雙向高導(dǎo)熱石墨膜制備機(jī)制示意圖