打破AI芯片散热瓶颈热阻达0018cm2KW的全固态石墨烯垫片面世功能可比美液态金属

  -功能比美液态金属的全固态石墨烯导热垫片，等效导热率400W/mK

  跟着AI算力芯片功率密度打破1200 W，其部分暖流密度高达300-500 W/cm²，这对热界面资料(TIMs)提出苛刻要求：总热阻需≤1 mm²K/W才能将界面温升控制在5 °C内。传统导热硅脂、相变资料等热阻遍及＞4 mm²K/W，并且这些资料的导热率缺乏，厚度稍大则热阻快速增大，难以满意需求。为了习惯当时和未来AI芯片的散热需求，潜在处理方案包含液态金属和碳基复合资料两大技能道路 mm²K/W，但存在氧化、走漏等问题；笔直取向碳资料虽本征热导率＞1000 W/mK，但因资料刚性导致热阻＞10 mm²K/W。本研讨打破性地开发了超声-抛光两步处理工艺：首要通过超声处理使石墨片在介观标准可控开裂，构成兼具高热导率和柔性的微观结构；再经精细抛光优化外表平整度，显着提高界面触摸功能。终究制备的石墨-硅胶复合资料展示出极低总热阻（50 psi：1.8 mm²K/W），高体导热率，优异紧缩顺应性以及优异的热循环安稳性。该资料成功处理了传统碳资料紧缩性与界面触摸功能的对立，其导热特性和使用水平极为挨近液态金属的水平，为AI芯片散热供给了抱负处理方案。

  1. 经超声-抛光两步处理的样品具有超低热阻（50 psi：1.8 mm²K/W），为迄今为止报导过的最低的固态型导热垫片热阻，热阻水平仅次于液态金属。高体热导率（460 W/mK），高紧缩应变（50 psi：45%）以及优异的热循环安稳性。

  2. 样品经两步处理样品的电竞电脑实践散热作用与液态金属（Galinstan）适当。

  3. 样品的制备和散热功能提高技能具有简练高效、低成本、可产业化的特色。

  经超声-抛光处理的样品在50 psi压力下的总热阻和紧缩应变别离从8.4 mm²K/W下降至1.8 mm²K/W和从20%升高至45%。在实践散热作用测验中，样品可将电竞笔记本电脑CPU运转温度控制在86 °C与液态金属适当。通过持续6个月的实践散热测验后，样品仍具有优异才能的散热体现。比较之下，液态金属的散热作用显着阑珊。

  图1. 超声波和抛光处理增强样品散热功能的机理。（a）未经处理样品中石墨片紧缩力学行为的示意图。（b）未经处理样品的相片和（c）光学显微镜图画。（d）未经处理样品的扫描电镜图画。（e）上：进程1-3为样品处理作用的示意图；下：未经处理样品结构的示意图。（f）通过处理样品的紧缩进程示意图（左：无压力；右：施加压力时石墨片笔直紧缩）。（g）处理后样品的相片（左）和扫描电镜图画（右）。

  碳资料的一般具有较大刚度，导致复合导热垫片在紧缩进程中碳资料不能充沛触摸合作外表（图1a）。关于石墨薄膜，超声波处理能够使其发生各种微观缺点。例如，组成石墨膜的石墨烯晶体发生破碎，滑移，以及褶皱（step2）。在此基础上，抛光处理能够消除垫片外表的剩余硅胶，一起使石墨片在垫片外表彼此充沛触摸并搭接，构成光亮的碳资料外表（step3）。经超声波和抛光处理后，样品具有低紧缩模量（沿笔直方向发生形变）和高效传热外表（图1f，g）。

  超声波能够使石墨片发生微米（大尺度石墨烯片呈现褶皱，滑移，碎裂）和纳米级缺点。石墨片微观结构的改变能够使样品的紧缩力学强度下降，优化样品与合作外表的触摸作用，然后增强其散热作用。在不同压力下，超声波处理后样品的应变和总热阻别离显着增大和下降。例如，在50 psi的压力下，超声波处理前后样品的紧缩率和总热阻别离从20 %添加至45 %和从8.4 mm²K/W下降至4.4 mm²K/W。文章也通过分子动力学模仿的办法，证明了纳米级缺点能够显着影响多层石墨烯的紧缩力学强度。

  进一步的抛光处理能够将样品外表崎岖从34.5 μm下降至11.1 μm，一起铲除石墨片间的剩余硅胶；经多次序抛光处理能够显着优化样品与合作外表的触摸作用。关于已超声波处理样品，通过抛光处理可逐渐下降其总热阻。例如，在50 psi的压力下，已超声波处理样品通过抛光后，其总热阻从4.4 mm²K/W下降至1.8 mm²K/W。

  图2. 超声-抛光处理样品的实践散热功能体现。（a）样品在笔记本电脑中的拼装示意图。（b）通过两步处理的样品放置于CPU外表的相片。（c）TC-5888导热硅脂（左）与液态金属（右）涂布在CPU表相片。（d）各样品在1000次测验循环中跑分改变曲线次测验循环中CPU气温改变曲线。（f）两步处理样品与液态金属在180天测验周期内的功能评分改变比照。

  未经两步处理样品的实践散热作用比液态金属差，但仍显着优于TC-5888导热硅脂（代表性高端导热硅脂）。经超声-抛光处理后，样品的跑分体现与液态金属适当（图2d）。在满载运转CPU散热方面，在前600各循环，样品能够将其温度控制在86-88 ℃，稍差于液态金属（84-86 ℃）；当测验循环超越600次后，样品的实践控温体现与液态金属适当，二者均可将CPU温度控制在86 ℃（图5e）。在持续6个月的散热作用测验中，样品可持续展示优异的跑分体现；比较之下，液态金属在测验时刻超越100天后跑分体现持续下降。

  1.经超声波处理，样品在50 psi压力下的紧缩应变从20%升高至45%；

  3.与液态金属比较，在持续6个月的实践散热作用测验中，样品具有优异才能且安稳的散热体现；

  4.超声波+抛光处理技能处理了笔直摆放碳资料基复合导热垫片的紧缩性与界面触摸功能的对立。

  楚盛，男，中山大学资料科学与工程学院教授。2006年本科毕业于复旦大学物理系，2011年在美国加州大学河岸分校取得电子工程博士学位，2011年-2012年持续在加州大学河岸分校从事博士后研讨，2012年入职中山大学任“百人方案”教授，2016年获聘广东省青年珠江学者。宣布论文60余篇，包含Nat. Nanotechnol.、ACS Nano、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces等。研讨成果曾被Washington Post, Science today, Scientific American等多家媒体报导。

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