一种用于高性能计算机的TIMs的制造工艺

来源|Composites Science and Technology

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背景介绍

随着半导体技术的进步，芯片特征维度的不断缩小，更快、更高效、更精确的高性能计算微处理器的功率密度急剧上升，同时也带来了热管理的挑战，如果不能妥善解决热管理问题，最终会限制处理器的使用寿命、可靠性和芯片性能。目前，无论是小型移动设备还是大型通信终端，热源(芯片)的废热通过多个设备层及其界面的一系列热阻传递到散热器，其中超过50%的热阻来自界面，因此，界面热阻被广泛认为是热管理的瓶颈和迫切需要。在热管理方面，理想的TIM要求高导热性，高机械顺应性（低弹性模量和高可压缩性）和低热应力，以降低热接触阻力并缓解由于两个连接层之间的热膨胀系数不匹配而导致的应力集中引起的破坏。聚合物基TIMs具有优异的力学性能和较低的热应力，已广泛应用于废热的消散。目前，研究主要集中在提高聚合物基TIMs的固有热导率上。沥青基碳纤维具有超高导热系数(1000 W/m·K)和热稳定性，是高性能TIM的优秀候选材料。遗憾的是，由于碳纤维的一维特性，其超高导热系数仅沿轴向存在。因此，采用传统方法制备的碳纤维与聚合物基体的无规共混TIMs导热系数难以超过10.00 W/m·K。为了充分利用碳纤维在热传输方面的优势，冷冻铸造、静电植绒和磁场取向等典型策略已用来实现碳纤维在聚合物基体中的垂直排列，导热增强效率显著提高。此外，只有高导热系数并不能保证最佳的热管理性能。实现TIM与各种基片的最佳界面接触同样重要。这就要求TIMs既具有高导热性又具有高弹性柔度。然而，这两种要求通常是相互竞争的，因此很难同时实现高导热性和优异的弹性顺应性。

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02

成果掠影

深圳先进电子材料国际创新研究院孙蓉、曾小亮、张晨旭团队和南昌大学杜国平团队合作推测，降低交联密度并引入导热纤维TIM 可以实现高导热性、柔顺性和弹性性能。为了验证这一猜想，使用碳纤维和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为模型系统，其中通过垂直排列碳纤维并调制PDMS的交联密度。碳纤维的垂直取向不仅有利于导热网络的形成，而且有利于提高交联密度降低所损害的弹性。正如预期的那样，碳纤维/PDMS（CF/PDMS）TIM 表现出 43.47 W/m·K 的高通平面导热系数（负载量仅为 20 vol%）、类似于软生物组织的出色弹性顺应性（35% 压缩应变下的应力~35 kPa）和出色的回弹性能（压缩循环后弹性率高达~ 85%）。此外，CF/PDMS TIM在微处理器冷却中表现出卓越的散热能力和稳定性。本研究开辟了一条满足高性能计算散热需求的高性能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”为题发表于《Composites Science and Technology》。

​03图文导读

表1.PDMS矩阵公式

图1.（a）TIMs在应用中的示意图（b）CF/PDMS TIM示意图（c）CF/PDMS TIM材料（d-e）CF/PDMS TIM材料SEM图像（f）CF/PDMS TIM三维结构示意图

图2.（a）CF/PDMS TIMs的平面热导率（b）CF/PDMS材料的导热增强效率（c）20 vol% - CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的热接触电阻（d）20 vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的有效导热系数（e）CF/PDMS TIMs压缩过程的结构示意图

表2.CF/PDMS TIMs与文献报道的导通平面热导率的比较

图3.（a）20 vol%-CF/PDMS TIMs的σ−ε曲线（b）15 vol%-CF/PDMS2 TIM和20 vol%-CF/PDMS2 TIMσ−ε曲线对比（c）15 vol%/20vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的杨氏模量（d）20 vol%-CF/PDMS1/2/3/4 TIMs的应力松弛曲线（e）15 vol%-CF/PDMS4 TIM和20 vol%-CF/PDMS4 TIM的应力松弛曲线比较（f）15 vol%-CF/PDMS4 TIM和20 vol%-CF/PDMS4 TIM连续10个周期的ε−t曲线

图4.（a） c-CF/PDMS TIM的SEM截面图像（b-c） Al和ZnO元素在c-CF/PDMS TIM上的EDS图谱（d） CF/PDMS TIM和c-CF/PDMS TIM的传热示意图（e） 20 vol%-c-CF/PDMS TIM和20 vol%-CF/PDMS TIM的总热阻

图5.（a）CF/PDMS TIMs在微处理器冷却中的热管理应用实验示意图（b）芯片温度-时间曲线（c）芯片在不同功率下的稳态温度（d）使用CF/PDMS TIM(1000个循环)时芯片的温度循环曲线（e）功率循环测试时芯片的温度变化