雙向高導熱石墨膜研究獲進展

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)定性的關鍵瓶頸。通常，碳基高導熱材料在面內(nèi)熱導率超過1500W/m·K時，面外熱導率普遍低于8W/m·K，難以滿足高功率器件三維熱傳導需求。

針對上述問題，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所聯(lián)合寧波大學，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、高取向的雙向高導熱石墨膜，并在膜厚度達40微米的情況下，實現(xiàn)面內(nèi)熱導率Kin達1754W/m·K，面外熱導率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 ℃高溫處理時實現(xiàn)缺陷自修復、晶粒定向生長及氣體逸散優(yōu)化。同時，芳綸中氮原子促進晶格缺陷修復，退火后雙向高導熱石墨膜缺陷指標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模板，使面內(nèi)晶粒尺寸達2179nm、面外有序堆疊尺寸達53nm。研究表明，雙向高導熱石墨膜通過結(jié)構(gòu)調(diào)控展現(xiàn)出優(yōu)異的雙向?qū)嵝阅?，即面?nèi)熱導率達1754W/m·K，較同條件下氧化石墨烯衍生膜提升了17%；面外熱導率突破碳基薄膜面外熱導率瓶頸，達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)導熱膜相比，雙向高導熱石墨膜在面內(nèi)、面外熱導率及缺陷控制上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在智能手機散熱模擬中，搭載雙向高導熱石墨膜的芯片表面最高溫度從52℃降至45℃。同時，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特優(yōu)勢，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、功率半導體等高功率器件熱管理提供關鍵材料和技術支撐。

近期，相關研究成果以Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics為題，發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。 研究工作得到國家自然科學基金委員會等的支持。