一種用于高性能計算機的TIMs的制造工藝

來源|Composites Science and Technology

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背景介紹

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，芯片特征維度的不斷縮小，更快、更高效、更精確的高性能計算微處理器的功率密度急劇上升，同時也帶來了熱管理的挑戰(zhàn)，如果不能妥善解決熱管理問題，最終會限制處理器的使用壽命、可靠性和芯片性能。目前，無論是小型移動設(shè)備還是大型通信終端，熱源(芯片)的廢熱通過多個設(shè)備層及其界面的一系列熱阻傳遞到散熱器，其中超過50%的熱阻來自界面，因此，界面熱阻被廣泛認為是熱管理的瓶頸和迫切需要。在熱管理方面，理想的TIM要求高導(dǎo)熱性，高機械順應(yīng)性（低彈性模量和高可壓縮性）和低熱應(yīng)力，以降低熱接觸阻力并緩解由于兩個連接層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的應(yīng)力集中引起的破壞。聚合物基TIMs具有優(yōu)異的力學(xué)性能和較低的熱應(yīng)力，已廣泛應(yīng)用于廢熱的消散。目前，研究主要集中在提高聚合物基TIMs的固有熱導(dǎo)率上。瀝青基碳纖維具有超高導(dǎo)熱系數(shù)(1000 W/m·K)和熱穩(wěn)定性，是高性能TIM的優(yōu)秀候選材料。遺憾的是，由于碳纖維的一維特性，其超高導(dǎo)熱系數(shù)僅沿軸向存在。因此，采用傳統(tǒng)方法制備的碳纖維與聚合物基體的無規(guī)共混TIMs導(dǎo)熱系數(shù)難以超過10.00 W/m·K。為了充分利用碳纖維在熱傳輸方面的優(yōu)勢，冷凍鑄造、靜電植絨和磁場取向等典型策略已用來實現(xiàn)碳纖維在聚合物基體中的垂直排列，導(dǎo)熱增強效率顯著提高。此外，只有高導(dǎo)熱系數(shù)并不能保證最佳的熱管理性能。實現(xiàn)TIM與各種基片的最佳界面接觸同樣重要。這就要求TIMs既具有高導(dǎo)熱性又具有高彈性柔度。然而，這兩種要求通常是相互競爭的，因此很難同時實現(xiàn)高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的彈性順應(yīng)性。

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02

成果掠影

深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院孫蓉、曾小亮、張晨旭團隊和南昌大學(xué)杜國平團隊合作推測，降低交聯(lián)密度并引入導(dǎo)熱纖維TIM 可以實現(xiàn)高導(dǎo)熱性、柔順性和彈性性能。為了驗證這一猜想，使用碳纖維和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為模型系統(tǒng)，其中通過垂直排列碳纖維并調(diào)制PDMS的交聯(lián)密度。碳纖維的垂直取向不僅有利于導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，而且有利于提高交聯(lián)密度降低所損害的彈性。正如預(yù)期的那樣，碳纖維/PDMS（CF/PDMS）TIM 表現(xiàn)出 43.47 W/m·K 的高通平面導(dǎo)熱系數(shù)（負載量僅為 20 vol%）、類似于軟生物組織的出色彈性順應(yīng)性（35% 壓縮應(yīng)變下的應(yīng)力~35 kPa）和出色的回彈性能（壓縮循環(huán)后彈性率高達~ 85%）。此外，CF/PDMS TIM在微處理器冷卻中表現(xiàn)出卓越的散熱能力和穩(wěn)定性。本研究開辟了一條滿足高性能計算散熱需求的高性能TIM制造方法。研究成果以“Compliance-tunable thermal interface materials based on vertically oriented carbon fiber arrays for high-performance thermal management”為題發(fā)表于《Composites Science and Technology》。

?03圖文導(dǎo)讀

表1.PDMS矩陣公式

圖1.（a）TIMs在應(yīng)用中的示意圖（b）CF/PDMS TIM示意圖（c）CF/PDMS TIM材料（d-e）CF/PDMS TIM材料SEM圖像（f）CF/PDMS TIM三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.（a）CF/PDMS TIMs的平面熱導(dǎo)率（b）CF/PDMS材料的導(dǎo)熱增強效率（c）20 vol% - CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的熱接觸電阻（d）20 vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的有效導(dǎo)熱系數(shù)（e）CF/PDMS TIMs壓縮過程的結(jié)構(gòu)示意圖

表2.CF/PDMS TIMs與文獻報道的導(dǎo)通平面熱導(dǎo)率的比較

圖3.（a）20 vol%-CF/PDMS TIMs的σ?ε曲線（b）15 vol%-CF/PDMS2 TIM和20 vol%-CF/PDMS2 TIMσ?ε曲線對比（c）15 vol%/20vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的楊氏模量（d）20 vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的應(yīng)力松弛曲線（e）15 vol%-CF/PDMS4 TIM和20 vol%-CF/PDMS4 TIM的應(yīng)力松弛曲線比較（f）15 vol%-CF/PDMS4 TIM和20 vol%-CF/PDMS4 TIM連續(xù)10個周期的ε?t曲線

圖4.（a） c-CF/PDMS TIM的SEM截面圖像（b-c） Al和ZnO元素在c-CF/PDMS TIM上的EDS圖譜（d） CF/PDMS TIM和c-CF/PDMS TIM的傳熱示意圖（e） 20 vol%-c-CF/PDMS TIM和20 vol%-CF/PDMS TIM的總熱阻

圖5.（a）CF/PDMS TIMs在微處理器冷卻中的熱管理應(yīng)用實驗示意圖（b）芯片溫度-時間曲線（c）芯片在不同功率下的穩(wěn)態(tài)溫度（d）使用CF/PDMS TIM(1000個循環(huán))時芯片的溫度循環(huán)曲線（e）功率循環(huán)測試時芯片的溫度變化