南京大學(xué)沈群東教授《自然·通訊》：利用三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)和電熱制冷協(xié)同效應(yīng)的芯片熱管理裝置

　　現(xiàn)代微電子技術(shù)對(duì)減小尺寸和增加開關(guān)頻率的壓力導(dǎo)致了巨大的功耗密度，限制了器件的性能，并要求高效的熱管理系統(tǒng)。目前大多數(shù)大功率模塊的傳統(tǒng)冷卻技術(shù)是通過強(qiáng)制空氣或液體循環(huán)將熱量傳遞到外部散熱器或冷板。但是，由于熱流路徑上的多層結(jié)構(gòu)和界面處不可避免的熱阻，這種被動(dòng)冷卻系統(tǒng)即使借助熱界面材料也難以實(shí)現(xiàn)快速傳熱。

　　日前，南京大學(xué)沈群東教授設(shè)計(jì)制備了一種具有高度導(dǎo)熱途徑的互穿結(jié)構(gòu)的電熱聚合物，使聚合物的電熱性能提高了240%，熱導(dǎo)率提高了300%。利用這種電熱合成體和電磁驅(qū)動(dòng)，研究者成功制作了一個(gè)放大版的5g芯片單熱點(diǎn)冷卻裝置。嵌入在聚合物中的連續(xù)三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)在外加電場作用下作為有序偶極子的成核位點(diǎn)，有效地在場驅(qū)動(dòng)偶極子熵變化產(chǎn)生的熱點(diǎn)處收集熱能，開辟了聲子的高速傳導(dǎo)路徑。因此，這兩種組分的協(xié)同解決了電活性聚合物及其低導(dǎo)熱接觸界面散熱緩慢的難題。更重要的是，該方法顯著降低了電熱循環(huán)過程中用于切換偶極態(tài)的電能，并增加了低場下的可操作熵。該方法有助于下一代智能微電子器件的精確定點(diǎn)熱管理。相關(guān)工作以“Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration”發(fā)表在《Nature Communications》。

圖1. 三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)提高電熱性能

　　3-3 PCC電熱性能

　　研究者將3-D陶瓷網(wǎng)絡(luò)（3-D CNet）引入到聚合物基質(zhì)中，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的界面區(qū)域和間隙中的分子鏈處于受限狀態(tài)，從而導(dǎo)致非極性構(gòu)象分子鏈向極性構(gòu)象的轉(zhuǎn)換（圖1a）。在3-3鐵電聚合物/陶瓷復(fù)合材料（3-3 PCC）中，研究者首次巧妙地將傳統(tǒng)的被動(dòng)傳熱與主動(dòng)電熱冷卻相結(jié)合。其中，研究者選擇了無鉛鐵電陶瓷Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3（BCZT）作為聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯化氟乙烯）（P(VDF-TrFE-CFE)）聚合物基質(zhì)中的連續(xù)三維CNet（圖1b）。3-3 PCC的截面SEM元素圖表明3-3 PCC材料中成功構(gòu)建了連續(xù)的三維陶瓷導(dǎo)熱通路（圖1c）。此外，3-3 PCC具有良好的靈活性（圖1d），這有利于其與芯片表面良好的接觸，熱量傳遞出去。

　　在聚合物中引入三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)后，3-3 PCC的系統(tǒng)熵顯著增加（圖1e）。這導(dǎo)致了在低電場下可操作的熵增加，從而產(chǎn)生較大的電熱效應(yīng)（ECE）。與純聚合物相比，3-3 PCC的最大極化值大約是相同場強(qiáng)下聚合物的兩倍（圖1f）。因此，在該體系中，ECE的顯著增強(qiáng)與向聚合物中插入3-D CNet后對(duì)極化性能的調(diào)制有關(guān)。并且，3-3 PCC的介電特性隨溫度的變化如圖1g所示。而在3-3 PCC中，隨著電場的增大，非極性相的衍射峰逐漸減小，而極性相的衍射峰逐漸增大（圖1h-i），同時(shí)，兩個(gè)衍射峰都隨著電場的增大而向大角度偏移。定量分析3-3 PCC表明，當(dāng)電場增大到40 MV m?1時(shí)，極性相的體積分?jǐn)?shù)由初始的32%增加到43%；而對(duì)于純聚合物，體積分?jǐn)?shù)僅為3.5%（圖1j）。

圖2. 3-3 PCC材料優(yōu)異的導(dǎo)熱性能

　　熱導(dǎo)率調(diào)節(jié)

　　研究者采用有限元法研究了引入三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚合物被動(dòng)傳熱行為的影響。首先，研究者模擬了導(dǎo)熱填料不連續(xù)地分散在聚合物中或以三維網(wǎng)絡(luò)形式存在的傳熱行為。3-D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了連續(xù)的聲子通路，大大提高了3-3 PCC的被動(dòng)傳熱性能（圖2a）。與純聚合物相比，3-3 PCC具有優(yōu)越的被動(dòng)傳熱性能（圖2b）。加熱和冷卻過程中的溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖2c-e所示，3-3 PCC在比純聚合物更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度最大值或降至室溫。溫度對(duì)時(shí)間的一階偏導(dǎo)數(shù)與加熱速率和冷卻速率有關(guān)。它們?cè)诔跏技訜幔ɡ鋮s）時(shí)達(dá)到最大值（負(fù)最低點(diǎn)），然后隨著時(shí)間的推移逐漸降低（負(fù)值逐漸趨向于零）（圖2d）。無論加熱還是冷卻，3-3 PCC樣品的一階偏導(dǎo)數(shù)均最大。這進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)良的導(dǎo)熱性。3-3 PCC加熱實(shí)驗(yàn)的平均時(shí)間比純聚合物快11.9 s，冷卻速度快16.1 s（圖2g-h）。然后，研究者通過閃光DSC檢測(cè)相應(yīng)薄膜厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)（圖2i）。

圖3. 一種固態(tài)電熱冷卻裝置

　　用于芯片冷卻的電熱制冷裝置

　　研究者設(shè)計(jì)了一種利用電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯片主動(dòng)冷卻的電冷器。為了避免驅(qū)動(dòng)和主動(dòng)冷卻模塊之間的相互干擾，這兩者被一個(gè)外部的3-D打印框架有效地隔開。主動(dòng)冷卻器從上到下主要由電磁鐵、可磁化鋼墊片、散熱器、電熱堆和熱源組成（圖3a）。電制冷裝置在散熱器和熱源之間周期性切換的照片如圖3b所示。當(dāng)溫度下降時(shí)，電熱量堆從較低的熱源吸收熱量來實(shí)現(xiàn)冷卻（圖3c-d）。值得注意的是，在整個(gè)過程中，電熱量冷卻器將熱量從底部的熱源泵到頂部的散熱器，完成了一個(gè)主動(dòng)冷卻的單循環(huán)。在對(duì)電熱冷卻層施加/去除電場之前，為了使電熱堆棧與冷/熱源充分接觸，繼電器r2的開關(guān)時(shí)間總是比繼電器r1晚0.1 s（圖3e）。值得注意的是，在0.1 Hz的工作頻率下，用熱流傳感器測(cè)量加熱側(cè)和冷卻側(cè)電熱堆相對(duì)于外加電場的最大熱流（圖3f）。通常電熱設(shè)備的啟動(dòng)溫度為50 ℃，考慮到在實(shí)際工作中溫度過高會(huì)降低CPU的效率。啟動(dòng)電冷器（U1=12 V，1 Hz，E=30 MV m?1）后，原本在空氣中冷卻的芯片表面溫度從71.4 °C下降到63 °C（圖3h）。以上結(jié)果表明，電冷器可以保持芯片溫度（63 °C）遠(yuǎn)離高失效風(fēng)險(xiǎn)范圍。進(jìn)一步證明了主動(dòng)電冷熱能以精確、高效、可擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)5g芯片的冷卻。

　　小結(jié)：綜上所述，研究者設(shè)計(jì)制備了一種利用三維無鉛鐵電陶瓷互穿網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)弛豫型鐵電聚合物的導(dǎo)熱性能和電制冷性能的通用而實(shí)用的方法。在聚合物基體中引入三維CNet不僅增加了極性納米結(jié)構(gòu)域的數(shù)量，還增加了極性/非極性相和陶瓷網(wǎng)絡(luò)/聚合物的界面面積，從而增加了低場下的可操作熵。另一方面，連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在納米疇成核形成的“熱點(diǎn)”處開辟了聲子的高速熱傳導(dǎo)路徑，使電熱層中的快速冷/熱傳輸成為可能。