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背景介紹

隨著電子器件向小型化、大功率、三維異質異構集成方向發展，器件內部面臨熱流密度攀升、熱源空間離散分布等難題，散熱已成為阻礙高性能電子器件發展的主要技術瓶頸。針對空間離散分布的三維堆疊熱源，如何實現熱源間的定點、定向導熱，一直是挑戰性難題。

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成果掠影

近期，華中科技大學熱封裝實驗室團隊提出了一種通過三維流場對導熱微結構在復合材料中的空間排列與取向進行調控的方法，實現了三維導熱微結構及其復合材料的按需可控制造。面向未來異質異構集成芯片、高帶寬存儲器件等的高效散熱應用，該技術需進一步與芯片空間布局優化、異質界面高性能鍵合等技術結合，以滿足實際分布式芯片的散熱需求。研究成果以“3D-Programmable Streamline Guided Orientation in Composite Materials for Targeted Heat Dissipation”為題發表在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）。張信峰博士為論文第一作者，能源學院羅小兵教授、機械學院謝斌講師為論文共同通訊作者。

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圖文導讀

圖1 (a) 三維流場輔助導熱微結構制造方法(3D-PSO)示意圖；(b) 3D打印制造導熱微結構的犧牲層骨架模板；(c)三維網格骨架與(d)異形骨架模板中的流線分布仿真；(e)三維導熱骨架與(f)導熱復合材料實物圖。 本研究的創新之處在于展示了一種通過三維流場對導熱微結構在復合材料中的空間排列與取向進行調控的方法。通過對纖維狀導熱粒子在預設流場中的瞬態運動過程進行時空受力分析（圖2(b)），研究者們探明了法向壓力和剪切力共同作用下的導熱粒子運動規律（圖2(c)），獲得了實現最優導熱微結構空間分布所需的粒子尺寸、形貌、流體流速、流變特性等關鍵參數，從而建立了三維流場驅動下的導熱微結構分布和取向調控機制。

圖2 導熱復合材料微觀結構及導熱粒子受力分析：(a) 隨機摻雜的CFs/PDMS復合材料截面SEM圖；(b) 流場驅動下的導熱粒子微元體受力分析；(c) 不同角度導熱粒子所受力矩計算結果；(d) 導熱粒子所受最終力矩隨取向角的變化曲線；(e) 導熱粒子在流場作用下的運動-穩定過程示意圖。

為實現上述三維導熱微結構的按需制造，研究者們首先利用3D打印技術制備高精度三維藍臘犧牲層骨架（圖3(a)），隨后基于該骨架制備由高分子基體(PDMS)構成的三維共軛骨架，最終在三維共軛骨架中進行流場取向調控，從而在導熱基體內部形成三維連續導熱通道。以工字型CFs/PDMS導熱復合材料（圖3(d)）為例，在工字型頂層和底層，由于流動過程中流體在層內的擴散，CFs形成了平行于層面的取向，該取向有利于為復合材料頂部和底部提供快速熱擴散；在頂層與底層中間，CFs形成了垂直于層面的取向，從而有利于實現頂部與底部之間的快速熱傳導。圖3(g)展示了以Ga-In-Sn液態金屬作為導熱粒子所制備的LM/PDMS復合材料元素分布圖，從圖中可以觀察到該復合材料內部形成了明顯的網格邊界，驗證了3D-PSO方法優異的微結構定點、定向按需調控能力。

圖3 導熱復合材料微觀表征：(a) 具有不同微觀結構的三維犧牲層骨架實物圖；(b)(c)(e)(f) 所制備的CFs/PDMS復合材料不同區域的截面SEM圖；(d) 工字型CFs/PDMS復合材料縱截面SEM圖；(g) 三維LM/PDMS復合材料EDS元素分布圖。

為展示3D-PSO方法在三維分布式熱源散熱方面的潛力，研究者們基于方形陶瓷加熱片設計了計算機CPU模擬熱源，并將所制備的CFs/PDMS復合材料填充于熱源與散熱器之間作為熱界面材料（圖4(a)）。實測表明，CFs/PDMS復合材料填充的熱源在低填料填充量下具有最低的結溫（圖4(b)(c)），這主要歸功于其內部形成了三維熱橋，從而能夠高效地將芯片熱量向下傳遞至熱沉。圖4(d)(e)展示了該三維導熱微結構應用于多層堆疊熱源時的優異散熱效果。面對41顆功率密度為25000 W/m2的分布式熱源，相比常規熱界面材料，應用CFs/PDMS復合材料的散熱結構將熱源結溫降低了42°C。

圖4 3D-PSO復合材料應用性能測試：(a) CPU模擬熱源散熱裝置示意圖；(b) 熱源溫度變化曲線；(c) CPU模擬熱源上表面溫度分布云圖；(d) 多層堆疊熱源散熱示意圖；(e) 多層堆疊熱源溫度場可視化結果

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作者簡介

羅小兵，教授、博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，IEEE Fellow、ASME Fellow，國家萬人計劃科技創新領軍人才，華中科技大學能源與動力工程學院院長、中歐能源學院中方院長。研究方向為極端熱管理設計、微泵。先后獲得2020年寶鋼優秀教師特等獎提名獎，2018年國家教學成果獎二等獎（排名2），2016 IEEE封裝協會杰出技術成就獎，2016年國家技術發明二等獎（排名2），2015年湖北省自然科學一等獎。以第一/通訊作者發表論文200余篇，第一發明人授權中國發明專利56項、美國專利5項，其中20項實施現金轉讓。出版中、英文專著各1部。研制了首款水力懸浮微型泵和超薄微泵，高溫測井儀熱管理系統等，并實施了轉化和銷售。

謝斌，華中科技大學機械科學與工程學院講師、碩士生導師，2019年獲得華中科技大學工程熱物理專業博士學位，曾在華為技術有限公司（武漢研究所）擔任高級工程師，2022年6月加入華中科技大學機械科學與工程學院，研究領域為先進電子制造及其熱管理。以第一/通訊作者在Mater. Sci. Eng. R、Adv. Funct. Mater.、IJEM等期刊發表論文30余篇，授權中國發明專利10余項，出版中、英專著各1部。主持國家重點研發計劃課題、國自然青年基金等項目8項。獲得湖北省自然科學二等獎、廣東省自然科學二等獎、ICEPT Outstanding Paper Award等榮譽。