Matter最新文章推薦:人工智能算力芯片的理想導(dǎo)熱界面材料-性能媲美液態(tài)金屬的全固態(tài)石墨烯導(dǎo)熱墊片，等效導(dǎo)熱率>400W/mK

【背景介紹】

隨著AI算力芯片功率密度突破1200 W，其局部熱流密度高達(dá)300-500 W/cm2，這對熱界面材料(TIMs)提出嚴(yán)苛要求：總熱阻需≤1 mm2K/W才能將界面溫升控制在5 °C內(nèi)。傳統(tǒng)導(dǎo)熱硅脂、相變材料等熱阻普遍＞4 mm2K/W，而且這些材料的導(dǎo)熱率不足，厚度稍大則熱阻快速增大，難以滿足需求。為了適應(yīng)當(dāng)前和未來AI芯片的散熱需求，潛在解決方案包括液態(tài)金屬和碳基復(fù)合材料兩大技術(shù)路線：液態(tài)金屬雖熱阻≈1 mm2K/W，但存在氧化、泄漏等問題；垂直取向碳材料雖本征熱導(dǎo)率＞1000 W/mK，但因材料剛性導(dǎo)致熱阻＞10 mm2K/W。本研究突破性地開發(fā)了超聲-拋光兩步處理工藝：首先通過超聲處理使石墨片在介觀尺度可控斷裂，形成兼具高熱導(dǎo)率和柔性的微觀結(jié)構(gòu)；再經(jīng)精密拋光優(yōu)化表面平整度，顯著提升界面接觸性能。最終制備的石墨-硅膠復(fù)合材料展現(xiàn)出極低總熱阻（50 psi：1.8 mm2K/W），高體導(dǎo)熱率，優(yōu)良壓縮順應(yīng)性以及優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。該材料成功解決了傳統(tǒng)碳材料壓縮性與界面接觸性能的矛盾，其導(dǎo)熱特性和應(yīng)用水平極為接近液態(tài)金屬的水平，為AI芯片散熱提供了理想解決方案。

<文章亮點>

1. 經(jīng)超聲-拋光兩步處理的樣品具有超低熱阻（50 psi：1.8 mm2K/W），為迄今為止報道過的最低的固態(tài)型導(dǎo)熱墊片熱阻，熱阻水平僅次于液態(tài)金屬。高體熱導(dǎo)率（460 W/mK），高壓縮應(yīng)變（50 psi：45%）以及優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。

2. 樣品經(jīng)兩步處理樣品的電競電腦實際散熱效果與液態(tài)金屬（Galinstan）相當(dāng)。

3. 樣品的制備和散熱性能提升技術(shù)具有簡潔高效、低成本、可產(chǎn)業(yè)化的特點。

【內(nèi)容簡介】

日前，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的楚盛教授課題組在Matter上發(fā)表了題為“Extremely low thermal resistance in solid state thermal pad from in-situ graphite cracking for high power artificial intelligence chip”的研究文章。研究人員以高導(dǎo)熱石墨膜和硅凝膠為原料，采用石墨膜與硅凝膠交替堆疊制備方法，聯(lián)合超聲波-拋光處理技術(shù)制備出石墨膜-硅凝膠復(fù)合導(dǎo)熱墊片。

經(jīng)超聲-拋光處理的樣品在50 psi壓力下的總熱阻和壓縮應(yīng)變分別從8.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W和從20%升高至45%。在實際散熱效果測試中，樣品可將電競筆記本電腦CPU運行溫度控制在86 °C與液態(tài)金屬相當(dāng)。經(jīng)過持續(xù)6個月的實際散熱測試后，樣品仍具有優(yōu)異的散熱表現(xiàn)。相比之下，液態(tài)金屬的散熱效果顯著衰退。

【圖文解析】

<圖例>

圖1. 超聲波和拋光處理增強(qiáng)樣品散熱性能的機(jī)理。（a）未經(jīng)處理樣品中石墨片壓縮力學(xué)行為的示意圖。（b）未經(jīng)處理樣品的照片和（c）光學(xué)顯微鏡圖像。（d）未經(jīng)處理樣品的掃描電鏡圖像。（e）上：步驟1-3為樣品處理效果的示意圖；下：未經(jīng)處理樣品結(jié)構(gòu)的示意圖。（f）經(jīng)過處理樣品的壓縮過程示意圖（左：無壓力；右：施加壓力時石墨片垂直壓縮）。（g）處理后樣品的照片（左）和掃描電鏡圖像（右）。

<圖片解析>

碳材料的通常具有較大剛度，導(dǎo)致復(fù)合導(dǎo)熱墊片在壓縮過程中碳材料不能充分接觸配合表面（圖1a）。對于石墨薄膜，超聲波處理可以使其產(chǎn)生各種微觀缺陷。例如，組成石墨膜的石墨烯晶體發(fā)生破碎，滑移，以及褶皺（step2）。在此基礎(chǔ)上，拋光處理可以消除墊片表面的殘余硅膠，同時使石墨片在墊片表面相互充分接觸并搭接，形成光潔的碳材料表面（step3）。經(jīng)超聲波和拋光處理后，樣品具有低壓縮模量（沿垂直方向發(fā)生形變）和高效傳熱表面（圖1f，g）。

超聲波可以使石墨片產(chǎn)生微米（大尺寸石墨烯片出現(xiàn)褶皺，滑移，碎裂）和納米級缺陷。石墨片微觀結(jié)構(gòu)的變化可以使樣品的壓縮力學(xué)強(qiáng)度降低，優(yōu)化樣品與配合表面的接觸效果，從而增強(qiáng)其散熱效果。在不同壓力下，超聲波處理后樣品的應(yīng)變和總熱阻分別顯著增大和降低。例如，在50 psi的壓力下，超聲波處理前后樣品的壓縮率和總熱阻分別從20 %增加至45 %和從8.4 mm2K/W降低至4.4 mm2K/W。文章也通過分子動力學(xué)模擬的方法，證明了納米級缺陷可以顯著影響多層石墨烯的壓縮力學(xué)強(qiáng)度。

進(jìn)一步的拋光處理可以將樣品表面起伏從34.5 μm降低至11.1 μm，同時清除石墨片間的殘余硅膠；經(jīng)多輪次拋光處理可以顯著優(yōu)化樣品與配合表面的接觸效果。對于已超聲波處理樣品，通過拋光處理可進(jìn)一步降低其總熱阻。例如，在50 psi的壓力下，已超聲波處理樣品經(jīng)過拋光后，其總熱阻從4.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W。

<圖例>

圖2. 超聲-拋光處理樣品的實際散熱性能表現(xiàn)。（a）樣品在筆記本電腦中的組裝示意圖。（b）經(jīng)過兩步處理的樣品放置于CPU表面的照片。（c）TC-5888導(dǎo)熱硅脂（左）與液態(tài)金屬（右）涂布在CPU表照片。（d）各樣品在1000次測試循環(huán)中跑分變化曲線。（e）樣品在1000次測試循環(huán)中CPU溫度變化曲線。（f）兩步處理樣品與液態(tài)金屬在180天測試周期內(nèi)的性能評分變化對比。

未經(jīng)兩步處理樣品的實際散熱效果比液態(tài)金屬差，但仍顯著優(yōu)于TC-5888導(dǎo)熱硅脂（代表性高端導(dǎo)熱硅脂）。經(jīng)超聲-拋光處理后，樣品的跑分表現(xiàn)與液態(tài)金屬相當(dāng)（圖2d）。在滿載運行CPU散熱方面，在前600各循環(huán)，樣品可以將其溫度控制在86-88 ℃，稍差于液態(tài)金屬（84-86 ℃）；當(dāng)測試循環(huán)超過600次后，樣品的實際控溫表現(xiàn)與液態(tài)金屬相當(dāng)，二者均可將CPU溫度控制在86 ℃（圖5e）。在持續(xù)6個月的散熱效果測試中，樣品可持續(xù)展現(xiàn)優(yōu)良的跑分表現(xiàn)；相比之下，液態(tài)金屬在測試時間超過100天后跑分表現(xiàn)持續(xù)降低。

【全文小結(jié)】

1.經(jīng)超聲波處理，樣品在50 psi壓力下的壓縮應(yīng)變從20%升高至45%；

2.經(jīng)超聲波+拋光處理，樣品在50 psi壓力下的總熱阻從8.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W；

3.與液態(tài)金屬相比，在持續(xù)6個月的實際散熱效果測試中，樣品具有優(yōu)異且穩(wěn)定的散熱表現(xiàn)；

4.超聲波+拋光處理技術(shù)解決了垂直排列碳材料基復(fù)合導(dǎo)熱墊片的壓縮性與界面接觸性能的矛盾。

https://authors.elsevier.com/a/1mHTb9CyxdAg1L

【通訊作者簡介】

楚盛，男，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授。2006年本科畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理系，2011年在美國加州大學(xué)河濱分校獲得電子工程博士學(xué)位，2011年-2012年繼續(xù)在加州大學(xué)河濱分校從事博士后研究，2012年入職中山大學(xué)任“百人計劃”教授，2016年獲聘廣東省青年珠江學(xué)者。發(fā)表論文60余篇，包括Nat. Nanotechnol.、ACS Nano、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces等。研究成果曾被Washington Post, Science today, Scientific American等多家媒體報道。

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