摘要：当今社会，微型电子器件如智能手机、笔记本电脑、芯片嵌入式系统等已经成为人们日常生活和工业生产的不可或缺的一部分。随着电子产品不断向小型化和集成化方向发展，芯片的有效散热已成为影响其使用寿命和运行效率的关键因素。微小的温度上升，都有可能会引起芯片的“热崩溃”，严

当今社会，微型电子器件如智能手机、笔记本电脑、芯片嵌入式系统等已经成为人们日常生活和工业生产的不可或缺的一部分。随着电子产品不断向小型化和集成化方向发展，芯片的有效散热已成为影响其使用寿命和运行效率的关键因素。微小的温度上升，都有可能会引起芯片的“热崩溃”，严重影响其可靠性和使用寿命。因此，在微电子器件和系统的开发和部署中，有效的芯片热管理变得至关重要。

北京大学刘忠范院士团队开发了一种三维结构的石墨烯热传输功能材料，其形态可以通过PECVD方法进行定制，以满足热传输特性的多样化要求。具体来说，通过氢气辅助PECVD工艺（H2-PECVD）策略制备了具有发射率高达~0.98的多级分支结构的石墨烯（BVG）。通过电场辅助PECVD工艺（EF-PECVD）则可以制备垂直取向的石墨烯（OVG），其纵向热导率高达~53.5 W m-1 K-1。OVG沉积在芯片与散热器的接触界面上，作为热传导增强层，促进热量从芯片快速传递到散热片。BVG则沉积在散热器的翅片表面，作为热辐射增强层，促进热量从散热器快速辐射到周围空气中。

利用这种设计理念，可以共同增强芯片冷却系统中的两个关键界面，实现了~30.7%的显著冷却效率提升。最重要的是，这两种石墨烯热传输功能层可以通过PECVD工艺与商用的散热器直接复合，无需改变原有的散热系统结构，展现出这种新型材料在增强冷却系统性能方面具有巨大潜力。这项研究不仅为电子设备的冷却系统提供了新的设计理念，而且为石墨烯材料在热管理中的应用开辟了新的途径。

相关研究成果以“Co-enhancement of thermal conduction and radiation through morphologies controlling of graphene functional layer for chip thermal management”为题发表于《Nano Research》。

/ 图文导读 /

图1. 应用于芯片散热系统的石墨烯热传输功能层的设计思路

图2. BVG的制备与热辐射增强性质

图3. OVG的制备与热传导增强性质

图4. 石墨烯热传输功能层的实际散热效果

/ 结论 /

该工作着重研究了芯片热传输的关键过程，并设计并制备了一种新型的石墨热传输功能层。通过有针对性地设计和控制垂直石墨的形态，分别实现了热导和辐射方面的最佳增强。具体而言，垂直石墨在热导增强层中发挥作用，表现出显著的方向性热导率，约为 53.5 W·m–1·K–1，通过石墨的声子高速公路，实现了从芯片到散热器的快速传热。同时，石墨在辐射增强层中发挥作用，表现出高红外发射率大于 0.98，有助于将散热器中的热快速辐射到周围空气中。

石墨热传输功能层的独特形态可以直接沉积在商业散热器的相应界面上，而不改变它们的原始结构和性能，也不引入任何额外的能量需求和空间占用。因此，改进后的铝散热器配备石墨热传输功能层可实现约 30.7% 的冷却效率提升。可以预期，新一代高功率电子产品将从具有易于制造工艺的高性能散热器中受益。

原文信息：Cheng S, Wang K, Xu S, et al. Co-enhancement of thermal conduction and radiation through morphologies controlling of graphene functional layer for chip thermal management. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6540-6.

来源：芳芳聊科学