5G、AI、高性能計算推動微電子器件小型化、高集成化，功率密度激增導致器件溫度升高，可靠性與壽命下降（如 GaN 射頻器件結溫每升 10℃，壽命減半）。傳統熱界面材料（TIM）存在核心瓶頸：金屬基填料模量過高（>100 GPa），聚合物基熱導率過低（<10 W/m.K），液態金屬易泄漏腐蝕，垂直石墨烯膜**模量 > 60 GPa，均無法兼顧高面內熱導率與低壓縮模量。亟需開發兼具超高導熱與優異柔順性的新型 TIM，解決高功率密度電子散熱難題。01
成果介紹
近日，華東師范大學吳幸、東南大學畢恒昌等團隊通過一種巧妙的“切割-垂直組裝-封裝”策略，成功制備出兼具超高垂直面熱導率（565.92 W/m.K）和超低壓縮模量（115.16 kPa）的垂直取向石墨烯微帶墊（GMP）。突破傳統熱界面材料熱 - 力學性能權衡；材料兼具優異熱穩定性與機械耐久性，實際測試中可使 CPU 滿載核心溫度降低12℃、功率芯片溫度降低18.2℃，為下一代高功率密度電子熱管理提供全新范式。
研究成果以“Highly Vertically Oriented Graphene Microstrip Pads With Ultrahigh Through-Plane Thermal Conductivity and Ultralow Compressive Modulus for Efficient Heat Dissipation” 為題，發表于《Advanced Science》期刊。
02
圖文導讀
圖1a展示了GMP的制備流程：激光切割石墨烯膜→垂直組裝微帶→硅橡膠真空浸潤封裝→切片成型。圖1b為石墨烯微帶的SEM圖，寬度為200 μm。圖1c為最終成型的GMP實物照片，表現出良好的柔韌性。圖1d為GMP截面的光學顯微鏡圖像，清晰顯示了石墨烯微帶高度垂直、密集排列的結構。圖2a-c通過Micro-CT三維重建和截面圖，直觀展示了GMP60內部石墨烯微帶的高度垂直取向。圖2d的統計直方圖定量顯示，86.2%的微帶傾斜角在70°-90°之間。圖2e-f通過廣角X射線散射（WAXS）圖案和方位角擬合，進一步證實了有序GMP的高取向因子（0.77），與無序樣品（0.16）形成鮮明對比。圖2g的有限元模擬對比了有序與無序結構的熱傳導過程，有序結構能在0.3秒內將熱量從底部均勻傳導至頂部，而無序結構熱量嚴重淤積在底部。圖3a顯示，GMP的垂直熱導率隨石墨烯含量增加而穩步提升，從40 wt.%的400.46W/m.K增至80 wt.%的707.34 W/m.K。圖3b顯示總熱阻在石墨烯含量為60 wt.%時達到最低值0.028 in2 K/W。圖3c通過多厚度法分離了體熱阻和接觸熱阻，揭示80 wt.%樣品性能下降的主因是接觸熱阻激增了5.4倍。圖3d-e的紅外熱成像Benchmark測試表明，GMP60的升溫速度遠超兩款商用高端導熱墊。圖3f-g證明GMP在寬溫域和熱循環下具有出色的熱穩定性。圖4a-b展示了GMP的應力-應變曲線和計算得到的壓縮模量。GMP40、GMP50、GMP60的壓縮模量分別低至22.63， 31.53和115.16 kPa，極為柔軟。圖4c將本研究的數據與已報道的石墨烯/碳纖維基TIM在“熱導率-壓縮模量”坐標中進行對比，GMP系列（紅星）脫穎而出，同時占據了“高導熱”和“低模量”的黃金區域。圖4d-e則證明了GMP60在循環壓縮和極端預壓縮（90%應變）后，仍能保持穩定的力學和熱學性能。圖5a-c為模擬芯片散熱的標準化測試。在50 W cm?2的高熱流密度下，使用GMP60的加熱器溫度比使用商用TIM低21.7°C。圖5d-g為CPU真實散熱測試。圖5f顯示，在AIDA64滿負載拷機下，使用GMP60的CPU核心溫度比商用TIM低6.4°C，比不使用時低12°C。圖5g顯示，得益于更低的溫度，CPU能維持更高的運行頻率（提升0.84 GHz），避免了因過熱導致的降頻。圖5h-i為功率芯片散熱測試，紅外圖像顯示，工作90秒后，使用GMP60的芯片溫度比商用TIM低8.5°C，比無TIM時低18.2°C。
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來源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.75359
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