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石墨烯在电子产品热界面材料中的研究进展

发布时间:2022-08-04 10:32:26     点击次数:29次

石墨烯在电子产品热界面材料中的研究进展

1 引言
  电子产品的散热问题是长久以来制约电子器件性能的重要因素之一。已有研究者指出,电子产品的工作温度每上升2 ℃,其可靠性将会下降约10%。温度升高50℃时,元器件的寿命只有温度升高25℃时的1/6。芯片散热问题限制了芯片技术的进一步发展。电子产品散热有主动与被动散热两种,主动散热是通过优化芯片设计、降低功耗等实现减少热量产生。
  
 2 热界面材料简述

  热界面材料又称为导热界面材料,是一种普遍应用于IC封装和电子散热的材料。主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞,减少接触热阻,提高器件散热性能。热界面材料主要分 为无机材料中的纳米结构网状材料、二维层状材料、块状晶体材料,部分有机材料(硅脂)以及复合材料。

3 石墨烯制备成复合材料在热界面材料中的应用研究
在有机-无机复合材料中,石墨烯复合材料以其优异的热性能成为该研究领域的热点之一。作为一种二维碳纳米材料,石墨烯具有很高的电子迁移率(15000~52700cm2·V−1·s−1)和热导率(3080~5150W·m−1 ·K−1 )。可为聚合物基体中的声子的传热构建优良的热传导通道,有效提高聚合物基石墨烯复合材料的热导率。

4 石墨烯薄膜本身应用于导热材料
经过十多年的研究,石墨烯的制备方法取得了长足的进步,主要方法有化学气相沉积法(CVD)、氧化还原法、碳化硅外延法、机械剥离法。其中,CVD法是大规模可控制备高质量石墨烯薄膜最有前景的方法。在高温(1000~1070℃)条件下,在金属基板上长时间制备可通过热CVD法获得的高质量石墨烯薄膜。研究人 员在开发石墨烯薄膜应用技术时,需要将石墨烯薄膜转移到目标基板上,但这会引入二次缺陷(污染、裂纹 等),降低石墨烯薄膜的性能,增加工艺时间。因其复杂性,不利于下游石墨烯薄膜的大规模应用。此外, 石墨烯薄膜的高温制备与器件的制备工艺匹配性较差,因此,将石墨烯薄膜本身应用于导热材料时,低温、 快速、原位沉积石墨烯薄膜是发展趋势。Cao等采用原位生长法制备了金刚石/石墨烯/铜复合材料,研究发现,石墨烯在铜颗粒表面的原位生长促使两者间形成牢固的共价键合,改善了金刚石和铜界面的润湿性,使该复合材料的界面热导率提高3.7倍,热导率较没有石墨烯夹层的复合材料提高了61.0%(572.9W·m-1·K-1) 。

5 结论

从目前研究进展来看,虽然石墨烯薄膜本身的制备技术已经非常成熟,石墨烯材料应用于热界面材料增强散热性能的研究正在成为热点,应用石墨烯复合材料,有望大幅增强电子产品的散热性能,对产品的性能带来巨大的提升。石墨烯应用于热界面材料时,有两种应用方向,一种是石墨烯融入其它有机材料制备成复合材料,作为热界面材料使用;一种是直接在需要填充热界面材料的位置原位生长石墨烯薄膜,直接利用石墨烯薄膜作为热界面材料。第二种方法应用条件苛刻,受限制较多。第一种方法,目前也是主要处于研究的阶段,虽然实验室研究的某些导热性能结果比较可观,但目前没有见到商用化的石墨烯基热界面材料,没有做出实物器件级别的结果。因此,将石墨烯应用于目前相关型号电子产品的研发虽然以替代正在应用的导热垫或者硅脂热界面材料有很大的发展空间,尚需进一步工业化应用。


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