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 電子器件散熱是個(gè)大問題

隨著集成電路和電子器件集成度越來越高，尺寸越來越小，性能不斷提高，但散熱逐漸成為限制因素。對(duì)應(yīng)用于這一領(lǐng)域的熱管理材料來說，高熱導(dǎo)率不是唯一要求，良好的電絕緣性和機(jī)械強(qiáng)度以及化學(xué)穩(wěn)定性也必不可少。

高分子材料除了熱導(dǎo)率低（0.1~0.5 W·m-1·K-1），其它條件都符合。為了提高其熱導(dǎo)率，并保持絕緣性，研究者往往會(huì)加入氧化物或氮化物作為填料，如Al2O3、AlN和氮化硼（h-BN）。

超高熱導(dǎo)率的“白色石墨烯”

在眾多填料中，六方氮化硼納米片（BNNS）具有極高的熱導(dǎo)率和電絕緣性而受到廣泛關(guān)注，其面內(nèi)熱導(dǎo)率理論上高達(dá)1700~2000 W·m-1·K-1，介電擊穿強(qiáng)度為35 kV·mm-1，被稱為“白色石墨烯”。BNNS一般是從塊狀h-BN上剝離得到的，用于提高聚合物熱導(dǎo)率時(shí)，縱橫比越高越好。

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與石墨烯的剝離相比，BNNS在剝離時(shí)需要的能量要高33%，難度更大。熔融氫氧化鉀-氫氧化鈉化學(xué)剝離法產(chǎn)率只有0.2%，剝離的BNNS縱橫比只有130.30。超聲和球磨等物理技術(shù)產(chǎn)率雖然能提高到20%，甚至95%，但縱橫比更加慘不忍睹，有時(shí)能低至67.21。如何高產(chǎn)和高質(zhì)的剝離BNNS仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

成果介紹

湖南大學(xué)陳鼎、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院Jibao Lu、中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所林正得團(tuán)隊(duì)提出了一種基于高壓射流的微流控物理方法來制備BNNS。他們將75 MPa的高壓流體注射到微通道中，利用形成的8.77×107s-1的高剪切速率來剝離BNNS，只需要30分鐘就能制備出產(chǎn)率高達(dá)70%-76%、縱橫比達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄1500的BNNS，完美解決了高縱橫比BNNS的制備問題。通過真空過濾法合成的BNNS/聚乙烯醇復(fù)合薄膜，當(dāng)BNNS含量為83%時(shí)，材料的面內(nèi)熱導(dǎo)率可以達(dá)到67.6 W·m-1·K-1，導(dǎo)熱增強(qiáng)系數(shù)（TCE）再創(chuàng)新高，達(dá)到35500。他們將這種薄膜制作成柔性電絕緣散熱器，用于冷卻大功率LED燈，只需要50秒內(nèi)就能把LED的溫度降低到74.2℃，效率遠(yuǎn)超銅板散熱器。

超高剪切力把BNNS“剪下來”

圖1. BNNS的制備過程及結(jié)構(gòu)表征。

研究者以1:1的乙醇/水混合物作為溶劑，其表面張力為28 mJ·m-2，接近BNNS的表面張力（約35 mJ·m-2），然后加入0.5 g氮化硼粉末，攪拌15分鐘后，將其加壓到75 MPa，然后通入微流控的微米通道中循環(huán)60次，靜置7天后，從上清液中收集了0.35-0.38克BNNS，產(chǎn)率達(dá)到了70-76%。

通過表征，研究者發(fā)現(xiàn)每片BNNS表面平滑、無雜質(zhì)、無缺陷，橫向尺寸≈4.86 μm，厚度≈3.0 nm，縱橫比達(dá)到1500±91，每片BNNS由7層組成，層間距為0.33 nm，實(shí)現(xiàn)了BNNS的完美剝離。

超高的導(dǎo)熱性能

圖2. BNNS復(fù)合薄膜導(dǎo)熱性能研究。

研究者通過真空過濾法制備出了BNNS含量為83%聚乙烯醇復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)在不同BNNS含量下，縱橫比為1500的薄膜面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)始終大于1000的薄膜。當(dāng)填料含量為83%時(shí)，BNNS-1500復(fù)合薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)到67.6 W·m-1·K-1，比BNNS-1000薄膜的熱導(dǎo)率（50.9 W·m-1·K-1）提高了33%，說明縱橫比對(duì)提高BNNS復(fù)合材料的熱導(dǎo)率起著關(guān)鍵作用。

研究還發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合膜具有良好的熱穩(wěn)定性，在熱沖擊試驗(yàn)中，復(fù)合薄膜面內(nèi)熱導(dǎo)率的偏差在25℃時(shí)為1.6%，105℃時(shí)為4.0%，遠(yuǎn)小于聚乙烯醇膜的結(jié)果（25℃時(shí)為9.7%，105℃時(shí)為14.9%）。

研究者將復(fù)合薄膜與聚乙烯醇薄膜熱導(dǎo)率（0.19 W·m-1·K-1）的比值定義為導(dǎo)熱增強(qiáng)系數(shù)TCE，發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜的TCE達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的35500，比TCE達(dá)到了427，這是由于高縱橫比的BNNS形成了較長(zhǎng)的聲子傳輸路徑造成的。通過計(jì)算，研究者還發(fā)現(xiàn)BNNS-1500之間的接觸電阻為1.1×105 K·W-1，僅是BNNS-1000的一半（2.2×105 K·W-1）。

強(qiáng)度好、耐折疊、高導(dǎo)熱還絕緣的完美薄膜

圖3. 復(fù)合薄膜力學(xué)性能分析。

除了優(yōu)異的導(dǎo)熱性能外，復(fù)合薄膜用于器件散熱應(yīng)用時(shí)還需要有良好的機(jī)械性能和電絕緣性。BNNS含量為83%的薄膜拉伸強(qiáng)度為13±1.7 MPa，可以承受100克的拉伸，即使疊成紙鶴、進(jìn)行2000次彎折也不會(huì)斷裂，還能切割成任意形狀，經(jīng)過種種折騰后，薄膜面內(nèi)熱導(dǎo)率僅下降了4%。

此外，薄膜的體積電阻率高達(dá)2.1×1014Ω·cm，居然比聚乙烯醇薄膜的還高出了20倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了109Ω·cm的電絕緣標(biāo)準(zhǔn)。

高效的LED散熱性能

圖4. 復(fù)合薄膜用于大功率LED燈的散熱。

由于BNNS復(fù)合薄膜優(yōu)異的性能，研究者將其用作大功率LED燈（10 W）的柔性散熱器，并與聚乙烯醇薄膜和商用銅板散熱器進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)以復(fù)合薄膜為散熱器時(shí)，在50秒內(nèi)LED的溫度就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，其它兩種材料需要180秒才行，LED的溫度只有74.2℃，遠(yuǎn)低于銅板的136.7℃和聚乙烯醇薄膜的149.6℃。因?yàn)長(zhǎng)ED的壽命與工作溫度密切相關(guān)，每降低10℃就可以延長(zhǎng)50%的壽命，所以本文制備的電絕緣散熱器在電子封裝和印刷電路板的熱管理領(lǐng)域有廣闊的前景。

小結(jié)

剝離出高縱橫比的BNNS是制備電絕緣高導(dǎo)熱復(fù)合材料的關(guān)鍵，研究者利用高壓射流微流控技術(shù)完美剝離出了縱橫比高達(dá)1500的BNNS，通過真空過濾法制備出了BNNS含量為83%聚乙烯醇復(fù)合薄膜。發(fā)現(xiàn)薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)67.6 W·m-1·K-1，TCE更是達(dá)到了35500。薄膜不僅導(dǎo)熱性好，力學(xué)性能也非常優(yōu)秀：拉伸強(qiáng)度為13±1.7 MPa，即使進(jìn)行2000次彎折也不會(huì)斷裂，而且體積電阻率高達(dá)2.1×1014Ω·cm，比聚乙烯醇薄膜的還高出了20倍。研究者將這種完美的薄膜做成柔性散熱器后，50秒內(nèi)就能把LED的溫度降低到74.2℃，而銅板散熱器需要180秒才能將溫度降低到136.7℃。