流場(chǎng)調(diào)控導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)取向：三維堆疊芯片高效散熱新方案

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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(zhì)異構(gòu)集成方向發(fā)展，器件內(nèi)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(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。針對(duì)空間離散分布的三維堆疊熱源，如何實(shí)現(xiàn)熱源間的定點(diǎn)、定向?qū)幔恢笔翘魬?zhàn)性難題。

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成果掠影

近期，華中科技大學(xué)熱封裝實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)提出了一種通過三維流場(chǎng)對(duì)導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料中的空間排列與取向進(jìn)行調(diào)控的方法，實(shí)現(xiàn)了三維導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料的按需可控制造。面向未來異質(zhì)異構(gòu)集成芯片、高帶寬存儲(chǔ)器件等的高效散熱應(yīng)用，該技術(shù)需進(jìn)一步與芯片空間布局優(yōu)化、異質(zhì)界面高性能鍵合等技術(shù)結(jié)合，以滿足實(shí)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(fā)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(xué)院羅小兵教授、機(jī)械學(xué)院謝斌講師為論文共同通訊作者。

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圖文導(dǎo)讀

圖1 (a) 三維流場(chǎng)輔助導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)制造方法(3D-PSO)示意圖；(b) 3D打印制造導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)的犧牲層骨架模板；(c)三維網(wǎng)格骨架與(d)異形骨架模板中的流線分布仿真；(e)三維導(dǎo)熱骨架與(f)導(dǎo)熱復(fù)合材料實(shí)物圖。 本研究的創(chuàng)新之處在于展示了一種通過三維流場(chǎng)對(duì)導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料中的空間排列與取向進(jìn)行調(diào)控的方法。通過對(duì)纖維狀導(dǎo)熱粒子在預(yù)設(shè)流場(chǎng)中的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行時(shí)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(dǎo)熱粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律（圖2(c)），獲得了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)空間分布所需的粒子尺寸、形貌、流體流速、流變特性等關(guān)鍵參數(shù)，從而建立了三維流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)分布和取向調(diào)控機(jī)制。

圖2 導(dǎo)熱復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱粒子受力分析：(a) 隨機(jī)摻雜的CFs/PDMS復(fù)合材料截面SEM圖；(b) 流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的導(dǎo)熱粒子微元體受力分析；(c) 不同角度導(dǎo)熱粒子所受力矩計(jì)算結(jié)果；(d) 導(dǎo)熱粒子所受最終力矩隨取向角的變化曲線；(e) 導(dǎo)熱粒子在流場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)-穩(wěn)定過程示意圖。

為實(shí)現(xiàn)上述三維導(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)的按需制造，研究者們首先利用3D打印技術(shù)制備高精度三維藍(lán)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(gòu)成的三維共軛骨架，最終在三維共軛骨架中進(jìn)行流場(chǎng)取向調(diào)控，從而在導(dǎo)熱基體內(nèi)部形成三維連續(xù)導(dǎo)熱通道。以工字型CFs/PDMS導(dǎo)熱復(fù)合材料（圖3(d)）為例，在工字型頂層和底層，由于流動(dòng)過程中流體在層內(nèi)的擴(kuò)散，CFs形成了平行于層面的取向，該取向有利于為復(fù)合材料頂部和底部提供快速熱擴(kuò)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(shí)現(xiàn)頂部與底部之間的快速熱傳導(dǎo)。圖3(g)展示了以Ga-In-Sn液態(tài)金屬作為導(dǎo)熱粒子所制備的LM/PDMS復(fù)合材料元素分布圖，從圖中可以觀察到該復(fù)合材料內(nèi)部形成了明顯的網(wǎng)格邊界，驗(yàn)證了3D-PSO方法優(yōu)異的微結(jié)構(gòu)定點(diǎn)、定向按需調(diào)控能力。

圖3 導(dǎo)熱復(fù)合材料微觀表征：(a) 具有不同微觀結(jié)構(gòu)的三維犧牲層骨架實(shí)物圖；(b)(c)(e)(f) 所制備的CFs/PDMS復(fù)合材料不同區(qū)域的截面SEM圖；(d) 工字型CFs/PDMS復(fù)合材料縱截面SEM圖；(g) 三維LM/PDMS復(fù)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(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)CPU模擬熱源，并將所制備的CFs/PDMS復(fù)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(shí)測(cè)表明，CFs/PDMS復(fù)合材料填充的熱源在低填料填充量下具有最低的結(jié)溫（圖4(b)(c)），這主要?dú)w功于其內(nèi)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(dǎo)熱微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于多層堆疊熱源時(shí)的優(yōu)異散熱效果。面對(duì)41顆功率密度為25000 W/m2的分布式熱源，相比常規(guī)熱界面材料，應(yīng)用CFs/PDMS復(fù)合材料的散熱結(jié)構(gòu)將熱源結(jié)溫降低了42°C。

圖4 3D-PSO復(fù)合材料應(yīng)用性能測(cè)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(chǎng)可視化結(jié)果

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作者簡介

羅小兵，教授、博士生導(dǎo)師，國家杰出青年基金獲得者，IEEE Fellow、ASME Fellow，國家萬人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院院長、中歐能源學(xué)院中方院長。研究方向?yàn)闃O端熱管理設(shè)計(jì)、微泵。先后獲得2020年寶鋼優(yōu)秀教師特等獎(jiǎng)提名獎(jiǎng)，2018年國家教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名2），2016 IEEE封裝協(xié)會(huì)杰出技術(shù)成就獎(jiǎng)，2016年國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（排名2），2015年湖北省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。以第一/通訊作者發(fā)表論文200余篇，第一發(fā)明人授權(quán)中國發(fā)明專利56項(xiàng)、美國專利5項(xiàng)，其中20項(xiàng)實(shí)施現(xiàn)金轉(zhuǎn)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(cè)井儀熱管理系統(tǒng)等，并實(shí)施了轉(zhuǎn)化和銷售。

謝斌，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院講師、碩士生導(dǎo)師，2019年獲得華中科技大學(xué)工程熱物理專業(yè)博士學(xué)位，曾在華為技術(shù)有限公司（武漢研究所）擔(dān)任高級(jí)工程師，2022年6月加入華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，研究領(lǐng)域?yàn)橄冗M(jìn)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(fā)表論文30余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利10余項(xiàng)，出版中、英專著各1部。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國自然青年基金等項(xiàng)目8項(xiàng)。獲得湖北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、廣東省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、ICEPT Outstanding Paper Award等榮譽(yù)。