突破AI芯片散熱瓶頸，熱阻達0.018cm2K/W的全固態(tài)石墨烯墊片問世，性能可媲美液態(tài)金屬

Matter最新文章推薦:人工智能算力芯片的理想導熱界面材料-性能媲美液態(tài)金屬的全固態(tài)石墨烯導熱墊片，等效導熱率>400W/mK

【背景介紹】

隨著AI算力芯片功率密度突破1200 W，其局部熱流密度高達300-500 W/cm2，這對熱界面材料(TIMs)提出嚴苛要求：總熱阻需≤1 mm2K/W才能將界面溫升控制在5 °C內(nèi)。傳統(tǒng)導熱硅脂、相變材料等熱阻普遍＞4 mm2K/W，而且這些材料的導熱率不足，厚度稍大則熱阻快速增大，難以滿足需求。為了適應當前和未來AI芯片的散熱需求，潛在解決方案包括液態(tài)金屬和碳基復合材料兩大技術路線：液態(tài)金屬雖熱阻≈1 mm2K/W，但存在氧化、泄漏等問題；垂直取向碳材料雖本征熱導率＞1000 W/mK，但因材料剛性導致熱阻＞10 mm2K/W。本研究突破性地開發(fā)了超聲-拋光兩步處理工藝：首先通過超聲處理使石墨片在介觀尺度可控斷裂，形成兼具高熱導率和柔性的微觀結構；再經(jīng)精密拋光優(yōu)化表面平整度，顯著提升界面接觸性能。最終制備的石墨-硅膠復合材料展現(xiàn)出極低總熱阻（50 psi：1.8 mm2K/W），高體導熱率，優(yōu)良壓縮順應性以及優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。該材料成功解決了傳統(tǒng)碳材料壓縮性與界面接觸性能的矛盾，其導熱特性和應用水平極為接近液態(tài)金屬的水平，為AI芯片散熱提供了理想解決方案。

<文章亮點>

1. 經(jīng)超聲-拋光兩步處理的樣品具有超低熱阻（50 psi：1.8 mm2K/W），為迄今為止報道過的最低的固態(tài)型導熱墊片熱阻，熱阻水平僅次于液態(tài)金屬。高體熱導率（460 W/mK），高壓縮應變（50 psi：45%）以及優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。

2. 樣品經(jīng)兩步處理樣品的電競電腦實際散熱效果與液態(tài)金屬（Galinstan）相當。

3. 樣品的制備和散熱性能提升技術具有簡潔高效、低成本、可產(chǎn)業(yè)化的特點。

【內(nèi)容簡介】

日前，中山大學材料科學與工程學院的楚盛教授課題組在Matter上發(fā)表了題為“Extremely low thermal resistance in solid state thermal pad from in-situ graphite cracking for high power artificial intelligence chip”的研究文章。研究人員以高導熱石墨膜和硅凝膠為原料，采用石墨膜與硅凝膠交替堆疊制備方法，聯(lián)合超聲波-拋光處理技術制備出石墨膜-硅凝膠復合導熱墊片。

經(jīng)超聲-拋光處理的樣品在50 psi壓力下的總熱阻和壓縮應變分別從8.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W和從20%升高至45%。在實際散熱效果測試中，樣品可將電競筆記本電腦CPU運行溫度控制在86 °C與液態(tài)金屬相當。經(jīng)過持續(xù)6個月的實際散熱測試后，樣品仍具有優(yōu)異的散熱表現(xiàn)。相比之下，液態(tài)金屬的散熱效果顯著衰退。

【圖文解析】

<圖例>

圖1. 超聲波和拋光處理增強樣品散熱性能的機理。（a）未經(jīng)處理樣品中石墨片壓縮力學行為的示意圖。（b）未經(jīng)處理樣品的照片和（c）光學顯微鏡圖像。（d）未經(jīng)處理樣品的掃描電鏡圖像。（e）上：步驟1-3為樣品處理效果的示意圖；下：未經(jīng)處理樣品結構的示意圖。（f）經(jīng)過處理樣品的壓縮過程示意圖（左：無壓力；右：施加壓力時石墨片垂直壓縮）。（g）處理后樣品的照片（左）和掃描電鏡圖像（右）。

<圖片解析>

碳材料的通常具有較大剛度，導致復合導熱墊片在壓縮過程中碳材料不能充分接觸配合表面（圖1a）。對于石墨薄膜，超聲波處理可以使其產(chǎn)生各種微觀缺陷。例如，組成石墨膜的石墨烯晶體發(fā)生破碎，滑移，以及褶皺（step2）。在此基礎上，拋光處理可以消除墊片表面的殘余硅膠，同時使石墨片在墊片表面相互充分接觸并搭接，形成光潔的碳材料表面（step3）。經(jīng)超聲波和拋光處理后，樣品具有低壓縮模量（沿垂直方向發(fā)生形變）和高效傳熱表面（圖1f，g）。

超聲波可以使石墨片產(chǎn)生微米（大尺寸石墨烯片出現(xiàn)褶皺，滑移，碎裂）和納米級缺陷。石墨片微觀結構的變化可以使樣品的壓縮力學強度降低，優(yōu)化樣品與配合表面的接觸效果，從而增強其散熱效果。在不同壓力下，超聲波處理后樣品的應變和總熱阻分別顯著增大和降低。例如，在50 psi的壓力下，超聲波處理前后樣品的壓縮率和總熱阻分別從20 %增加至45 %和從8.4 mm2K/W降低至4.4 mm2K/W。文章也通過分子動力學模擬的方法，證明了納米級缺陷可以顯著影響多層石墨烯的壓縮力學強度。

進一步的拋光處理可以將樣品表面起伏從34.5 μm降低至11.1 μm，同時清除石墨片間的殘余硅膠；經(jīng)多輪次拋光處理可以顯著優(yōu)化樣品與配合表面的接觸效果。對于已超聲波處理樣品，通過拋光處理可進一步降低其總熱阻。例如，在50 psi的壓力下，已超聲波處理樣品經(jīng)過拋光后，其總熱阻從4.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W。

<圖例>

圖2. 超聲-拋光處理樣品的實際散熱性能表現(xiàn)。（a）樣品在筆記本電腦中的組裝示意圖。（b）經(jīng)過兩步處理的樣品放置于CPU表面的照片。（c）TC-5888導熱硅脂（左）與液態(tài)金屬（右）涂布在CPU表照片。（d）各樣品在1000次測試循環(huán)中跑分變化曲線。（e）樣品在1000次測試循環(huán)中CPU溫度變化曲線。（f）兩步處理樣品與液態(tài)金屬在180天測試周期內(nèi)的性能評分變化對比。

未經(jīng)兩步處理樣品的實際散熱效果比液態(tài)金屬差，但仍顯著優(yōu)于TC-5888導熱硅脂（代表性高端導熱硅脂）。經(jīng)超聲-拋光處理后，樣品的跑分表現(xiàn)與液態(tài)金屬相當（圖2d）。在滿載運行CPU散熱方面，在前600各循環(huán)，樣品可以將其溫度控制在86-88 ℃，稍差于液態(tài)金屬（84-86 ℃）；當測試循環(huán)超過600次后，樣品的實際控溫表現(xiàn)與液態(tài)金屬相當，二者均可將CPU溫度控制在86 ℃（圖5e）。在持續(xù)6個月的散熱效果測試中，樣品可持續(xù)展現(xiàn)優(yōu)良的跑分表現(xiàn)；相比之下，液態(tài)金屬在測試時間超過100天后跑分表現(xiàn)持續(xù)降低。

【全文小結】

1.經(jīng)超聲波處理，樣品在50 psi壓力下的壓縮應變從20%升高至45%；

2.經(jīng)超聲波+拋光處理，樣品在50 psi壓力下的總熱阻從8.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W；

3.與液態(tài)金屬相比，在持續(xù)6個月的實際散熱效果測試中，樣品具有優(yōu)異且穩(wěn)定的散熱表現(xiàn)；

4.超聲波+拋光處理技術解決了垂直排列碳材料基復合導熱墊片的壓縮性與界面接觸性能的矛盾。

https://authors.elsevier.com/a/1mHTb9CyxdAg1L

【通訊作者簡介】

楚盛，男，中山大學材料科學與工程學院教授。2006年本科畢業(yè)于復旦大學物理系，2011年在美國加州大學河濱分校獲得電子工程博士學位，2011年-2012年繼續(xù)在加州大學河濱分校從事博士后研究，2012年入職中山大學任“百人計劃”教授，2016年獲聘廣東省青年珠江學者。發(fā)表論文60余篇，包括Nat. Nanotechnol.、ACS Nano、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces等。研究成果曾被Washington Post, Science today, Scientific American等多家媒體報道。

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