基于取向性石墨烯骨架结构的热界面材料传热性能研究

随着现代电子设备的小型化和多功能化,电子芯片单位面积的功率密度迅速增加(高达200 W·cm~(-2)),运行过程中产生的大量热量若不能及时传递出去将导致芯片出现热故障。因此,有效的散热已成为决定微电子器件能否长期有效可靠的工作以及能否进一步集成化的最重要因素之一。热界面材料(TIM)通常由聚合物基体和导热填料组成,用于填充散热器和电子设备之间的微小间隙。通过快速的将电子设备产生的热量传递到散热器来实现对集成电路的有效热管理。但是,目前常见的TIM的热导率仍然处在较低的范围内,无法满足下一代微电子器件的热管理要求。石墨烯是一种2维蜂窝结构的碳材料,具有极高的理论热导率和出色的化学性能和物理性能。本论文通过借鉴自然界的树木枝叶结构提出了一种径向排列的带翅片的石墨烯骨架(RG-Fin)结构,其具有高效且各向同性的热传输能力。通过径向冷冻方法制备的具有径向排列结构的石墨烯骨架(RG)是热量各向同性传导的主要通道。利用等离子体化学气相沉积方法在RG骨架表面垂直生长的翅片状石墨烯纳米片(Fin)不但本身具有非常高的热导率,同时还为RG骨架增加了表面粗糙度和界面结合能力,提升了骨架与聚合物的结合效果,从而降低了RG骨架和聚合物的接触面处的界面热阻。另外,翅片状石墨烯纳米片为声子在骨架中的运动提供了额外的运动通道,在不影响骨架传热性能的前提下实现了一种更有效的双通道传热模式。最后,通过红外成像原理演示了运行中的CPU模块的实际热管理,验证了以RG-Fin为填料的复合材料在实际应用中具有高效的传热能力。本论文为实现用于热管理的高热导率的TIM制备提供了新的研究思路。