科学家造出新型热界面材料，可用于高性能芯片和电动汽车的散热

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“解决散热问题一直是电子器件工业的重要需求。新兴科技的产生也需要保障高效的热管理，以便提高设备寿命和功率等。因此，预计我们这项成果有望在更高功率、更高集成度和更高复杂度的三维系统中发挥作用，例如用于高性能芯片、电池、电动汽车等。

其实，只要涉及到散热管理的领域，它都能找到潜在应用。另外，本次论文被 Advanced Materials 选为封面，我也被该期刊授予‘材料研究领域杰出女性科学家’的称号。”四川大学校友、新加坡南洋理工大学博士后何虹莹表示。

图 | 何虹莹（来源：何虹莹）

日前，她和所在团队利用二维氮化硼陶瓷片在特定方向上具有超高热导的性质，并针对材料微结构进行调控，最终造出一款新型热界面材料。

本质上，这款热界面材料是一种电绝缘复合物材料。其具有重量轻、电绝缘的特性，在任意指定方向上都能产生高热导效应。也就是说，在使用时可以为这款热界面材料，设计定制化、可控的的热传导路径。

实验中，本次热界面材料取得了 12W/mK 的高热导率，相比已知的同类电绝缘材料高出很多（约 5W/mK 及以下）。并且，该材料在热导率上具有较好的稳定性。

（来源：Advanced Materials）

同时，这款材料的机械性能也相对合适。此外，它还拥有极低的材料密度，以及适合于电子器件设计的电学性能。因此，有望提供具有高功率密度的三维电子热管理解决方案。

常规使用氮化硼制作的复合材料，所得到的热导率并不理想。这是因为内部的氮化硼片呈散乱排列，因此无法将氮化硼片的高热导方向统一利用起来。

这时，就需要对二维氮化硼片实现高度有序的微观结构排列取向。研究中，该团队将二维氮化硼片表面进行磁化，以使其可以对极弱磁场产生响应，这样就能通过控制磁场方向，从而灵活、精确地调控氮化硼片的微观取向。对于这种制备方法，他们将其称为 MASC（magnetically assisted slip casting）。

MASC 制备法具备绿色、便捷的特点，全程只需使用水作为溶剂。干燥之后，就可以得到最终的热界面材料，根本无需额外烧结等后处理步骤。

使用这种制备方法，可以带来不同寻常的高热导效果。更有趣的是，当对氮化硼片的空间取向进行任意调控，相应的热传导方向也会沿着氮化硼微观结构取向的方向实现快速传导。

（来源：Advanced Materials）

相比常规的导热技术，本次方法可以有目的性地将热量引导至特定区域，这好比为热传导搭建一条“高速公路”，让它沿着所规划的高速路径去传导，并能到达指定的区域，从而获得更高效的热管理效果。

同时，这种磁控取向的方式，给热界面材料的微观结构设计带来很大便利性。也为调控更多复杂微观结构，注入了更多的可能。

此外，热量本身也是一种宝贵的能源，如能很好地引导传递热量、收集热量，或许也可能会在解决能源问题上取得一定应用。

日前，相关论文以《具有内部设计的高导热性路径的三维电子封装的微结构二维氮化硼陶瓷片复合材料》（Microstructured BN composites with internally designed high thermal conductivity paths for 3D electronic packaging）为题发在 Advanced Materials 上 [1]，何虹莹是第一作者。

图 | 相关论文成为当期期刊封面（来源：Advanced Materials）

为热传导搭建一条“高速公路”

当前，人类正处于科技快速发展的时期。相应的，电子器件也正朝着小型、高集成、高功率的方向快速发展。

随着功率密度的增加，电子设备的发热量会显著增长，这会给电子器件的散热问题带来新的挑战。

如果器件在使用过程中产生大量的热量，但却无法提供及时有效的散热，那么器件的寿命和稳定性都会受到影响。这时，热管理的重要性便会凸显出来。

传统解决方案是在电子封装中使用具有较高热导率的热界面材料，针对电子元件产生的热量，通过热界面材料快速的向上传导到散热器，从而达到冷却的效果。

但是，可以预见的是当电子元件的集成度迈向更高要求，尤其是向三维空间设计拓展，例如说将芯片堆叠成为双层或多层结构时，传统的热界面材料就无法有效地解决散热问题。

（来源：Advanced Materials）

在这种情况下，如果直接将两块堆叠芯片产生的热量单一的向上或向下传导，都会对彼此造成干扰甚至产生局部过热。

因此，何虹莹和所在团队给出的解决方案是：设计具有高热导率的新型热界面材料，并让其具备控制热量向特定方向传导的能力。

这样就可以将三维堆叠电子元件中产生的热量，有目的性地引导至特定区域（例如侧边），从而实现有效的散热。

迷茫挣扎时，少想多行动

如前所述，此次研发的热界面材料是一种电绝缘复合物材料。为了让这种材料拥有高热导性能，课题组选择二维氮化硼作为主要的导热材料，并选择适量的聚合物作为粘结剂。

在此基础之上，需要不断优化材料的组成和微观结构，例如研究不同的原材料尺寸、复合物浆体的浓度、不同的成分设计、以及不同的实验参数对于最终成品的影响。

（来源：Advanced Materials）

这样的影响往往是多方面的，最直观的影响体现在：微观结构的取向排列会被改变。事实上，当采用不同的微观结构设计时，也会给材料的热学、力学、电学等性能带来改变。

担任论文一作的何虹莹表示：“我花费一年左右的时间来完成这个工作，但是在接近实验成功的‘黎明之前’，很长一段时间都无法突破一个瓶颈。那段时间我的压力比较大，一个周末我决定去徒步行走释放一下压力。”

那个地方是新加坡的一个自然保护区，就像一个原始森林一样。进去以后要么走完全程、要么原路返回，中间根本没有别的路可以直接出去。

刚走进去的时候还是晴空万里，走到一半的时候突然变成瓢泼大雨。

“当时，我进退两难，在大雨里全都湿透了。眼前只有大雨、坑坑洼洼的泥地，还有看不到头的森林。后来，我索性不管那么多了，直接硬着头皮往前走，走到最后接近终点的时候，反而雨也停了。”她说。

很巧的是，在之后的一个星期之内，她的实验测试取得了成功。“雨中行走和实验成功这两件事让我印象非常深刻。那次的经历也让我有所感悟，在迷茫挣扎的时候干脆少想一些，咬咬牙坚持下去，说不定距离成功只差那么一点点。”何虹莹表示。

目前基于这项研究，她和所在课题组正在测试在不同实际场景中的效果，也在寻找合作伙伴探索商业化的潜在可能。

此外，他们还打算把这项成果用于更复杂的微观结构设计中，进一步尝试在传热控制上的更多突破。

前面讲到，何虹莹是川大校友。而在读博之前，她从出生到本科都在川渝地区。作为一名土生土长的重庆妹子，她在离家不远的四川大学材料科学与工程学院完成了本科学习。

读完本科之后，她来到新加坡国立大学机械工程学院攻读直博。博士毕业之后，又来到新加坡南洋理工大学机械与航天学院从事博后研究。

功能陶瓷、陶瓷复合材料和铁电，是她的主要研究方向。对此何虹莹表示：“我的父母都在从事陶瓷材料方向的研究工作，所以我从小耳濡目染，对于这些材料也很感兴趣。”

这些小小的材料具有各种有趣的性能，能在实际生活中发挥巨大的作用。另外，当真正接触到功能材料这个领域之后，她也发现了材料科学的魅力，因此非常愿意深耕于这个领域。

参考资料：

1.He, H., Peng, W., Liu, J., Chan, X. Y., Liu, S., Lu, L., & Le Ferrand, H.（2022）. Microstructured BN composites with internally designed high thermal conductivity paths for 3D electronic packaging. Advanced Materials, 34（38）, .