来源 | International Journal of Extreme Manufacturing

链接 | https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad92cb

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背景介绍

填充增强型聚合物复合材料因其性能增强、多度可调性和易于制造的特点，在各个领域得到了广泛应用。在热管理领域，填充有导热填料的聚合物复合材料被广泛用作热界面材料。然而，三维堆叠异质集成的电子设备提出了一个新的问题，即高密度热源在封装内空间分布不均。这种情况对TIMs提出了新的要求，即必须根据离散热源的具体分布建立高效的散热通道。随着电子器件向小型化、大功率、三维异质异构集成方向发展，器件内部面临热流密度攀升、热源空间离散分布等难题，散热已成为阻碍高性能电子器件发展的主要技术瓶颈。

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成果掠影

近日，华中科技大学罗小兵、谢斌团队通过三维流场调控导热复合材料中的微结构空间排列与取向，实现了面向空间堆叠芯片散热的三维导热微结构按需可控制造。该方法结合了3D打印的形状设计能力和流体的定向控制能力，通过对基体中填料的力学分析，揭示了基于流体的填料取向控制沿流线的机制。由于设计了散热通道，与随机复合材料相比，复合材料表现出更好的热学和力学性能。具体来说，在填料填充量为34.8vol%时，3D网状聚二甲基硅氧烷/液态金属（PDMS/LM）复合材料的热导率是随机PDMS/LM复合材料的5.8倍。在填料填充量为5.2vol%时，3D网状PDMS/碳纤维复合材料的热导率提升效率达到了101.05%。在3D堆叠芯片的散热应用中，使用3D-PSO复合材料的芯片最高温度比使用随机复合材料低42.14°C。3D-PSO方法展示了卓越的可编程设计能力，能够适应热源的多样化分布，为解决3D堆叠芯片集成应用中的复杂散热问题开辟了一条新途径。研究成果以“3D-Programmable Streamline Guided Orientation in Composite Materials for Targeted Heat Dissipation”为题发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊。

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图文导读

图1. (a) 三维流场辅助导热微结构制造方法(3D-PSO)示意图；(b) 3D打印制造导热微结构的牺牲层骨架模板；(c)三维网格骨架与(d)异形骨架模板中的流线分布仿真；(e)三维导热骨架与(f)导热复合材料实物图。

图2.导热复合材料微观结构及导热粒子受力分析。(a) 随机掺杂的CFs/PDMS复合材料截面SEM图；(b) 流场驱动下的导热粒子微元体受力分析；(c) 不同角度导热粒子所受力矩计算结果；(d) 导热粒子所受最终力矩随取向角的变化曲线；(e) 导热粒子在流场作用下的运动-稳定过程示意图。

图3.导热复合材料微观表征。(a) 具有不同微观结构的三维牺牲层骨架实物图；(b)(c)(e)(f) 所制备的CFs/PDMS复合材料不同区域的截面SEM图；(d) 工字型CFs/PDMS复合材料纵截面SEM图；(g) 三维LM/PDMS复合材料EDS元素分布图。

图4.TPL形状复合材料中的微观结构。(a–c) TPL形状PDMS/CFs复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图像；(d) TPL形状随机PDMS/CFs复合材料的显微图像；(e) “P–L”过渡通道的SEM图像；TPL形状随机PDMS/CFs复合材料中(f) “T”、(g) “P”和(h) “L”的SEM图像。

图5.随机和3D网状PDMS/CFs复合材料的传热能力演示。(a) 随机PDMS/CFs复合材料中填料的取向和分布；(b) 3D网状PDMS/CFs复合材料中填料的取向和分布；(c) 随机PDMS/CFs复合材料的局部放大视图；(d) 3D网状PDMS/CFs复合材料的局部放大视图；(e) 实验I的设置和红外热像图，用于比较面外传热效果；(f) 实验II的设置，用于比较面内传热效果；(g) 实验II中陶瓷加热片的中心温度随时间变化的曲线；(h) 实验II的红外热像图。

图6. 3D-PSO复合材料应用性能测试：(a) CPU模拟热源散热装置示意图；(b) 热源温度变化曲线；(c) CPU模拟热源上表面温度分布云图；(d) 多层堆叠热源散热示意图；(e) 多层堆叠热源温度场可视化结果。