流场调控导热微结构取向：三维堆叠芯片高效散热新方案

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背景介绍

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。针对空间离散分布的三维堆叠热源，如何实现热源间的定点、定向导热，一直是挑战性难题。

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成果掠影

近期，华中科技大学热封装实验室团队提出了一种通过三维流场对导热微结构在复合材料中的空间排列与取向进行调控的方法，实现了三维导热微结构及其复合材料的按需可控制造。面向未来异质异构集成芯片、高带宽存储器件等的高效散热应用，该技术需进一步与芯片空间布局优化、异质界面高性能键合等技术结合，以满足实际分布式芯片的散热需求。研究成果以“3D-Programmable Streamline Guided Orientation in Composite Materials for Targeted Heat Dissipation”为题发表在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）。张信峰博士为论文第一作者，能源学院罗小兵教授、机械学院谢斌讲师为论文共同通讯作者。

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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。   本研究的创新之处在于展示了一种通过三维流场对导热微结构在复合材料中的空间排列与取向进行调控的方法。通过对纤维状导热粒子在预设流场中的瞬态运动过程进行时空受力分析（图2(b)），研究者们探明了法向压力和剪切力共同作用下的导热粒子运动规律（图2(c)），获得了实现最优导热微结构空间分布所需的粒子尺寸、形貌、流体流速、流变特性等关键参数，从而建立了三维流场驱动下的导热微结构分布和取向调控机制。  

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。

为实现上述三维导热微结构的按需制造，研究者们首先利用3D打印技术制备高精度三维蓝腊牺牲层骨架（图3(a)），随后基于该骨架制备由高分子基体(PDMS)构成的三维共轭骨架，最终在三维共轭骨架中进行流场取向调控，从而在导热基体内部形成三维连续导热通道。以工字型CFs/PDMS导热复合材料（图3(d)）为例，在工字型顶层和底层，由于流动过程中流体在层内的扩散，CFs形成了平行于层面的取向，该取向有利于为复合材料顶部和底部提供快速热扩散；在顶层与底层中间，CFs形成了垂直于层面的取向，从而有利于实现顶部与底部之间的快速热传导。图3(g)展示了以Ga-In-Sn液态金属作为导热粒子所制备的LM/PDMS复合材料元素分布图，从图中可以观察到该复合材料内部形成了明显的网格边界，验证了3D-PSO方法优异的微结构定点、定向按需调控能力。

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。

为展示3D-PSO方法在三维分布式热源散热方面的潜力，研究者们基于方形陶瓷加热片设计了计算机CPU模拟热源，并将所制备的CFs/PDMS复合材料填充于热源与散热器之间作为热界面材料（图4(a)）。实测表明，CFs/PDMS复合材料填充的热源在低填料填充量下具有最低的结温（图4(b)(c)），这主要归功于其内部形成了三维热桥，从而能够高效地将芯片热量向下传递至热沉。图4(d)(e)展示了该三维导热微结构应用于多层堆叠热源时的优异散热效果。面对41颗功率密度为25000 W/m2的分布式热源，相比常规热界面材料，应用CFs/PDMS复合材料的散热结构将热源结温降低了42°C。

图4 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

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作者简介

罗小兵，教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，IEEE Fellow、ASME Fellow，国家万人计划科技创新领军人才，华中科技大学能源与动力工程学院院长、中欧能源学院中方院长。研究方向为极端热管理设计、微泵。先后获得2020年宝钢优秀教师特等奖提名奖，2018年国家教学成果奖二等奖（排名2），2016 IEEE封装协会杰出技术成就奖，2016年国家技术发明二等奖（排名2），2015年湖北省自然科学一等奖。以第一/通讯作者发表论文200余篇，第一发明人授权中国发明专利56项、美国专利5项，其中20项实施现金转让。出版中、英文专著各1部。研制了首款水力悬浮微型泵和超薄微泵，高温测井仪热管理系统等，并实施了转化和销售。

谢斌，华中科技大学机械科学与工程学院讲师、硕士生导师，2019年获得华中科技大学工程热物理专业博士学位，曾在华为技术有限公司（武汉研究所）担任高级工程师，2022年6月加入华中科技大学机械科学与工程学院，研究领域为先进电子制造及其热管理。以第一/通讯作者在Mater. Sci. Eng. R、Adv. Funct. Mater.、IJEM等期刊发表论文30余篇，授权中国发明专利10余项，出版中、英专著各1部。主持国家重点研发计划课题、国自然青年基金等项目8项。获得湖北省自然科学二等奖、广东省自然科学二等奖、ICEPT Outstanding Paper Award等荣誉。