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在電子學(xué)中，焊料用于將兩個(gè)部件連接在一起。作為橋梁，其最重要的功能之一是將熱量從關(guān)鍵電子元件傳遞到散熱器，然后散熱器再使用空氣或水來安全地散熱。隨著技術(shù)進(jìn)步，創(chuàng)建出了更小，更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備，但計(jì)算機(jī)芯片的溫度也會(huì)達(dá)到100°C以上。此時(shí)此刻，散熱功能變得比以往任何時(shí)候都更加重要。
然而，傳統(tǒng)的焊料壽命長(zhǎng)但其有效傳導(dǎo)熱量的能力極限較低，使得散熱成為計(jì)算機(jī)和電子進(jìn)一步開發(fā)的限制因素。如果要進(jìn)一步推進(jìn)這些領(lǐng)域，必須攻克這一至關(guān)重要的瓶頸。
引入“超級(jí)焊料”
2013年獲得美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）青年學(xué)院獎(jiǎng)的材料——超級(jí)橡膠，是由卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)機(jī)械工程副教授Sheng Shen與國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同開發(fā)的熱界面材料（TIM）。四年的工作產(chǎn)生的這種材料，該材料可以填充，且作用與傳統(tǒng)焊料相同，但是導(dǎo)熱率都比目前最先進(jìn)的TIM材料還高兩倍。
Shen取得突破的背后的秘密是銅錫納米線陣列。
Shen解釋道：“這些納米線是利用小細(xì)孔從模板中生長(zhǎng)出來的，就像模具。這是使用電鍍的芯片技術(shù)，一次生長(zhǎng)一層，就像將電線浸入到電解液一樣。”
得到的數(shù)組顯示，它具有顯著的熱性能，是目前任何焊接材料無法比擬的。然而，不僅僅是它的導(dǎo)熱性使超級(jí)焊料變得獨(dú)一無二。
超級(jí)焊料具有非凡的柔韌性或彈性，與橡膠或其他聚合物相當(dāng)。這很重要，因?yàn)楹噶线B接的部件在加熱時(shí)會(huì)膨脹和收縮，通常不同成分的兩個(gè)部分之間會(huì)以不同的速率變化。減少柔量往往是傳統(tǒng)焊料變差的原因，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥貜?fù)使用時(shí)會(huì)變得脆弱，從而它們的傳導(dǎo)熱量的能力會(huì)隨時(shí)間降低。根據(jù)Shen的說法，超級(jí)焊料的柔量比這些材料高出兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。
他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將超級(jí)焊料組件與傳統(tǒng)的錫焊料組件相匹配。雖然傳統(tǒng)的焊料在循環(huán)不到300小時(shí)后開始導(dǎo)熱率下降，但超過600小時(shí)后超級(jí)焊料繼續(xù)以峰值熱導(dǎo)率運(yùn)行。事實(shí)上，超級(jí)焊料表現(xiàn)得非常好，其確切的限制仍然未知。
Shen表示：“我們知道它還有上升空間，我們結(jié)束實(shí)驗(yàn)的唯一原因是因?yàn)槲覀儾坏貌话l(fā)表論文！”
雖然超級(jí)焊料的能力上限仍在探索中，但未來的潛在應(yīng)用很明顯。超級(jí)焊接可以取代電子系統(tǒng)中的傳統(tǒng)焊料，從微型便攜式電子設(shè)備到倉(cāng)庫(kù)大小的數(shù)據(jù)中心，降低溫度可以顯著提高功率的密度和可靠性。傳統(tǒng)的焊料可以做的任何事情，超級(jí)焊料幾乎可以做得更好。
雖然Shen對(duì)超級(jí)焊料的結(jié)果非常滿意，但他的工作尚未完成，他仍然看到了改進(jìn)的空間。該材料導(dǎo)電的特性在某些應(yīng)用中不希望的。因此，他的下一個(gè)目標(biāo)是創(chuàng)造一種可以保持其導(dǎo)熱性，同時(shí)充當(dāng)電絕緣體的新型超級(jí)焊料。
經(jīng)過四年的工作，幾乎沒有什么可以阻止他完善他的新材料。Shen也會(huì)一直堅(jiān)持，直面挑戰(zhàn)。
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