石墨烯薄膜在散热领域中的应用有哪些
单层和少数层石墨烯
将微机械剥离法制备的少数层石墨烯薄片应用于高功率的电子器件散热,结果表明当工作热通量在250 W/cm2 时,热点的温度下降了20 ℃之多。但是,由于难以控制少数层石墨烯的形状、层数、大小,并且制备效率低下,而实际应用中要求石墨烯质量高、形状和大小可控、产量高、价格低。故此微机械剥离的石墨烯不适合实际应用到国内半导体工业中。
在化学气相沉积制备石墨烯并将其应用到高功率芯片的热点散热方面做了一些工作。将用化学气相沉积制备的石墨烯转移到热功率芯片上,当热通量为430 W/cm2,发现单层和少数层石墨烯能使热功率芯片上热点的温度分别降低13 ℃和8 ℃,并讨论了影响其散热效率不同的原因。此外,还研究了不同的封装结构对散热效率的影响,如加入铝热沉,采用倒装芯片技术,用不同的温度检测方法比较了化学气相沉积法制备的石墨烯散热片对功率芯片热点散热的影响,结果表明,石墨烯在不同的结构中均能使芯片的热点温度降低。
另外,西安交大也做了类似的工作,他们将单层不连续石墨烯、单层连续石墨烯和双层连续石墨烯应用在功率芯片上的散热,结果表明单层连续石墨烯有较好的散热效果。韩国延世大学的Bae 等将化学气相沉积的石墨烯应用到柔性器件的散热,也取得了不错的效果。
利用化学气相沉积制备的石墨烯,其散热效果不仅取决于石墨烯片的大小及层数,而且在转移的过程中很容易引入杂质或产生褶皱和裂纹,这些也会影响石墨烯散热片的散热效果。如Pettes 等研究了残留的PMMA 对石墨烯热导率的影响。总之,对于化学气相沉积制备的石墨烯,当务之急是提高质量和优化转移方法,减少其转移过程中的损坏。而从长远看,直接将石墨烯生长在功率芯片表面而非通过转移的方法,是提高其散热效果的根本。
石墨烯薄膜
将石墨烯制备成宏观薄膜并保持其微观纳米效应是石墨烯应用到热管理中的重要途径。液相剥离是基于溶液制程的一种方法,这种方法容易通过旋涂、滴涂、浸涂、喷涂和静电纺丝等方法形成薄膜。美国加州大学河滨分校的Balandin 研究组将石墨烯溶液涂覆在塑料基板表面,结果表明其热导率达到40~90 W/(m·K),热导率比没有涂覆石墨烯膜的样品高了两个数量级。本研究组用3ɷ 法测试了通过真空抽滤所得的石墨烯薄膜,发现其横向热导率达约110 W/(m·K),将其应用到功率芯片的散热,结果表明当热通量为1200 W/cm2 时,热点温度下降了6 ℃。
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