“解決散熱問題一直是電子器件工業的重要需求。新興科技的產生也需要保障高效的熱管理，以便提高設備壽命和功率等。因此，預計我們這項成果有望在更高功率、更高集成度和更高復雜度的三維系統中發揮作用，例如用于高性能芯片、電池、電動汽車等。其實，只要涉及到散熱管理的領域，它都能找到潛在應用。另外，本次論文被Advanced Materials選為封面，我也被該期刊授予‘材料研究領域杰出女性科學家’的稱號。”四川大學校友、新加坡南洋理工大學博士后何虹瑩表示。日前，她和所在團隊利用二維氮化硼陶瓷片在特定方向上具有超高熱導的性質，并針對材料微結構進行調控，最終造出一款新型熱界面材料。

本質上，這款熱界面材料是一種電絕緣復合物材料。其具有重量輕、電絕緣的特性，在任意指定方向上都能產生高熱導效應。也就是說，在使用時可以為這款熱界面材料，設計定制化、可控的的熱傳導路徑。實驗中，本次熱界面材料取得了 12W/mK 的高熱導率，相比已知的同類電絕緣材料高出很多（約 5W/mK 及以下）。并且，該材料在熱導率上具有較好的穩定性。

（來源：Advanced Materials）

同時，這款材料的機械性能也相對合適。此外，它還擁有極低的材料密度，以及適合于電子器件設計的電學性能。因此，有望提供具有高功率密度的三維電子熱管理解決方案。常規使用氮化硼制作的復合材料，所得到的熱導率并不理想。這是因為內部的氮化硼片呈散亂排列，因此無法將氮化硼片的高熱導方向統一利用起來。

這時，就需要對二維氮化硼片實現高度有序的微觀結構排列取向。研究中，該團隊將二維氮化硼片表面進行磁化，以使其可以對極弱磁場產生響應，這樣就能通過控制磁場方向，從而靈活、精確地調控氮化硼片的微觀取向。對于這種制備方法，他們將其稱為 MASC（magnetically assisted slip casting）。MASC 制備法具備綠色、便捷的特點，全程只需使用水作為溶劑。干燥之后，就可以得到最終的熱界面材料，根本無需額外燒結等后處理步驟。使用這種制備方法，可以帶來不同尋常的高熱導效果。更有趣的是，當對氮化硼片的空間取向進行任意調控，相應的熱傳導方向也會沿著氮化硼微觀結構取向的方向實現快速傳導。

（來源：Advanced Materials）

相比常規的導熱技術，本次方法可以有目的性地將熱量引導至特定區域，這好比為熱傳導搭建一條“高速公路”，讓它沿著所規劃的高速路徑去傳導，并能到達指定的區域，從而獲得更高效的熱管理效果。同時，這種磁控取向的方式，給熱界面材料的微觀結構設計帶來很大便利性。也為調控更多復雜微觀結構，注入了更多的可能。此外，熱量本身也是一種寶貴的能源，如能很好地引導傳遞熱量、收集熱量，或許也可能會在解決能源問題上取得一定應用。

日前，相關論文以《具有內部設計的高導熱性路徑的三維電子封裝的微結構二維氮化硼陶瓷片復合材料》（Microstructured BN composites with internally designed high thermal conductivity paths for 3D electronic packaging）為題發在Advanced Materials上 [1]，何虹瑩是第一作者。

為熱傳導搭建一條“高速公路”

當前，人類正處于科技快速發展的時期。相應的，電子器件也正朝著小型、高集成、高功率的方向快速發展。隨著功率密度的增加，電子設備的發熱量會顯著增長，這會給電子器件的散熱問題帶來新的挑戰。

如果器件在使用過程中產生大量的熱量，但卻無法提供及時有效的散熱，那么器件的壽命和穩定性都會受到影響。這時，熱管理的重要性便會凸顯出來。傳統解決方案是在電子封裝中使用具有較高熱導率的熱界面材料，針對電子元件產生的熱量，通過熱界面材料快速的向上傳導到散熱器，從而達到冷卻的效果。但是，可以預見的是當電子元件的集成度邁向更高要求，尤其是向三維空間設計拓展，例如說將芯片堆疊成為雙層或多層結構時，傳統的熱界面材料就無法有效地解決散熱問題。

（來源：Advanced Materials）

在這種情況下，如果直接將兩塊堆疊芯片產生的熱量單一的向上或向下傳導，都會對彼此造成干擾甚至產生局部過熱。因此，何虹瑩和所在團隊給出的解決方案是：設計具有高熱導率的新型熱界面材料，并讓其具備控制熱量向特定方向傳導的能力。這樣就可以將三維堆疊電子元件中產生的熱量，有目的性地引導至特定區域（例如側邊），從而實現有效的散熱。

如前所述，此次研發的熱界面材料是一種電絕緣復合物材料。為了讓這種材料擁有高熱導性能，課題組選擇二維氮化硼作為主要的導熱材料，并選擇適量的聚合物作為粘結劑。在此基礎之上，需要不斷優化材料的組成和微觀結構，例如研究不同的原材料尺寸、復合物漿體的濃度、不同的成分設計、以及不同的實驗參數對于最終成品的影響。

（來源：Advanced Materials）

這樣的影響往往是多方面的，最直觀的影響體現在：微觀結構的取向排列會被改變。事實上，當采用不同的微觀結構設計時，也會給材料的熱學、力學、電學等性能帶來改變。擔任論文一作的何虹瑩表示：“我花費一年左右的時間來完成這個工作，但是在接近實驗成功的‘黎明之前’，很長一段時間都無法突破一個瓶頸。那段時間我的壓力比較大，一個周末我決定去徒步行走釋放一下壓力。”

那個地方是新加坡的一個自然保護區，就像一個原始森林一樣。進去以后要么走完全程、要么原路返回，中間根本沒有別的路可以直接出去。剛走進去的時候還是晴空萬里，走到一半的時候突然變成瓢潑大雨。“當時，我進退兩難，在大雨里全都濕透了。眼前只有大雨、坑坑洼洼的泥地，還有看不到頭的森林。后來，我索性不管那么多了，直接硬著頭皮往前走，走到最后接近終點的時候，反而雨也停了。”她說。很巧的是，在之后的一個星期之內，她的實驗測試取得了成功。“雨中行走和實驗成功這兩件事讓我印象非常深刻。那次的經歷也讓我有所感悟，在迷茫掙扎的時候干脆少想一些，咬咬牙堅持下去，說不定距離成功只差那么一點點。”何虹瑩表示。

目前基于這項研究，她和所在課題組正在測試在不同實際場景中的效果，也在尋找合作伙伴探索商業化的潛在可能。此外，他們還打算把這項成果用于更復雜的微觀結構設計中，進一步嘗試在傳熱控制上的更多突破。前面講到，何虹瑩是川大校友。而在讀博之前，她從出生到本科都在川渝地區。作為一名土生土長的重慶妹子，她在離家不遠的四川大學材料科學與工程學院完成了本科學習。讀完本科之后，她來到新加坡國立大學機械工程學院攻讀直博。博士畢業之后，又來到新加坡南洋理工大學機械與航天學院從事博后研究。

功能陶瓷、陶瓷復合材料和鐵電，是她的主要研究方向。對此何虹瑩表示：“我的父母都在從事陶瓷材料方向的研究工作，所以我從小耳濡目染，對于這些材料也很感興趣。”這些小小的材料具有各種有趣的性能，能在實際生活中發揮巨大的作用。另外，當真正接觸到功能材料這個領域之后，她也發現了材料科學的魅力，因此非常愿意深耕于這個領域。