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突破AI芯片散熱瓶頸,熱阻達(dá)0.018cm2K/W的全固態(tài)石墨烯墊片問(wèn)世,性能可媲美液態(tài)金屬

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Matter最新文章推薦:人工智能算力芯片的理想導(dǎo)熱界面材料-性能媲美液態(tài)金屬的全固態(tài)石墨烯導(dǎo)熱墊片,等效導(dǎo)熱率>400W/mK

【背景介紹】

隨著AI算力芯片功率密度突破1200 W,其局部熱流密度高達(dá)300-500 W/cm2,這對(duì)熱界面材料(TIMs)提出嚴(yán)苛要求:總熱阻需≤1 mm2K/W才能將界面溫升控制在5 °C內(nèi)。傳統(tǒng)導(dǎo)熱硅脂、相變材料等熱阻普遍>4 mm2K/W,而且這些材料的導(dǎo)熱率不足,厚度稍大則熱阻快速增大,難以滿足需求。為了適應(yīng)當(dāng)前和未來(lái)AI芯片的散熱需求,潛在解決方案包括液態(tài)金屬和碳基復(fù)合材料兩大技術(shù)路線:液態(tài)金屬雖熱阻≈1 mm2K/W,但存在氧化、泄漏等問(wèn)題;垂直取向碳材料雖本征熱導(dǎo)率>1000 W/mK,但因材料剛性導(dǎo)致熱阻>10 mm2K/W。本研究突破性地開(kāi)發(fā)了超聲-拋光兩步處理工藝:首先通過(guò)超聲處理使石墨片在介觀尺度可控?cái)嗔?,形成兼具高熱?dǎo)率和柔性的微觀結(jié)構(gòu);再經(jīng)精密拋光優(yōu)化表面平整度,顯著提升界面接觸性能。最終制備的石墨-硅膠復(fù)合材料展現(xiàn)出極低總熱阻(50 psi:1.8 mm2K/W),高體導(dǎo)熱率,優(yōu)良?jí)嚎s順應(yīng)性以及優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。該材料成功解決了傳統(tǒng)碳材料壓縮性與界面接觸性能的矛盾,其導(dǎo)熱特性和應(yīng)用水平極為接近液態(tài)金屬的水平,為AI芯片散熱提供了理想解決方案。

<文章亮點(diǎn)>

1. 經(jīng)超聲-拋光兩步處理的樣品具有超低熱阻(50 psi:1.8 mm2K/W),為迄今為止報(bào)道過(guò)的最低的固態(tài)型導(dǎo)熱墊片熱阻,熱阻水平僅次于液態(tài)金屬。高體熱導(dǎo)率(460 W/mK),高壓縮應(yīng)變(50 psi:45%)以及優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。

2. 樣品經(jīng)兩步處理樣品的電競(jìng)電腦實(shí)際散熱效果與液態(tài)金屬(Galinstan)相當(dāng)。

3. 樣品的制備和散熱性能提升技術(shù)具有簡(jiǎn)潔高效、低成本、可產(chǎn)業(yè)化的特點(diǎn)。

【內(nèi)容簡(jiǎn)介】

日前,中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的楚盛教授課題組在Matter上發(fā)表了題為“Extremely low thermal resistance in solid state thermal pad from in-situ graphite cracking for high power artificial intelligence chip”的研究文章。研究人員以高導(dǎo)熱石墨膜和硅凝膠為原料,采用石墨膜與硅凝膠交替堆疊制備方法,聯(lián)合超聲波-拋光處理技術(shù)制備出石墨膜-硅凝膠復(fù)合導(dǎo)熱墊片。

經(jīng)超聲-拋光處理的樣品在50 psi壓力下的總熱阻和壓縮應(yīng)變分別從8.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W和從20%升高至45%。在實(shí)際散熱效果測(cè)試中,樣品可將電競(jìng)筆記本電腦CPU運(yùn)行溫度控制在86 °C與液態(tài)金屬相當(dāng)。經(jīng)過(guò)持續(xù)6個(gè)月的實(shí)際散熱測(cè)試后,樣品仍具有優(yōu)異的散熱表現(xiàn)。相比之下,液態(tài)金屬的散熱效果顯著衰退。

【圖文解析】


<圖例>

圖1. 超聲波和拋光處理增強(qiáng)樣品散熱性能的機(jī)理。(a)未經(jīng)處理樣品中石墨片壓縮力學(xué)行為的示意圖。(b)未經(jīng)處理樣品的照片和(c)光學(xué)顯微鏡圖像。(d)未經(jīng)處理樣品的掃描電鏡圖像。(e)上:步驟1-3為樣品處理效果的示意圖;下:未經(jīng)處理樣品結(jié)構(gòu)的示意圖。(f)經(jīng)過(guò)處理樣品的壓縮過(guò)程示意圖(左:無(wú)壓力;右:施加壓力時(shí)石墨片垂直壓縮)。(g)處理后樣品的照片(左)和掃描電鏡圖像(右)。

<圖片解析>

碳材料的通常具有較大剛度,導(dǎo)致復(fù)合導(dǎo)熱墊片在壓縮過(guò)程中碳材料不能充分接觸配合表面(圖1a)。對(duì)于石墨薄膜,超聲波處理可以使其產(chǎn)生各種微觀缺陷。例如,組成石墨膜的石墨烯晶體發(fā)生破碎,滑移,以及褶皺(step2)。在此基礎(chǔ)上,拋光處理可以消除墊片表面的殘余硅膠,同時(shí)使石墨片在墊片表面相互充分接觸并搭接,形成光潔的碳材料表面(step3)。經(jīng)超聲波和拋光處理后,樣品具有低壓縮模量(沿垂直方向發(fā)生形變)和高效傳熱表面(圖1f,g)。

超聲波可以使石墨片產(chǎn)生微米(大尺寸石墨烯片出現(xiàn)褶皺,滑移,碎裂)和納米級(jí)缺陷。石墨片微觀結(jié)構(gòu)的變化可以使樣品的壓縮力學(xué)強(qiáng)度降低,優(yōu)化樣品與配合表面的接觸效果,從而增強(qiáng)其散熱效果。在不同壓力下,超聲波處理后樣品的應(yīng)變和總熱阻分別顯著增大和降低。例如,在50 psi的壓力下,超聲波處理前后樣品的壓縮率和總熱阻分別從20 %增加至45 %和從8.4 mm2K/W降低至4.4 mm2K/W。文章也通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法,證明了納米級(jí)缺陷可以顯著影響多層石墨烯的壓縮力學(xué)強(qiáng)度。

進(jìn)一步的拋光處理可以將樣品表面起伏從34.5 μm降低至11.1 μm,同時(shí)清除石墨片間的殘余硅膠;經(jīng)多輪次拋光處理可以顯著優(yōu)化樣品與配合表面的接觸效果。對(duì)于已超聲波處理樣品,通過(guò)拋光處理可進(jìn)一步降低其總熱阻。例如,在50 psi的壓力下,已超聲波處理樣品經(jīng)過(guò)拋光后,其總熱阻從4.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W。


<圖例>

圖2. 超聲-拋光處理樣品的實(shí)際散熱性能表現(xiàn)。(a)樣品在筆記本電腦中的組裝示意圖。(b)經(jīng)過(guò)兩步處理的樣品放置于CPU表面的照片。(c)TC-5888導(dǎo)熱硅脂(左)與液態(tài)金屬(右)涂布在CPU表照片。(d)各樣品在1000次測(cè)試循環(huán)中跑分變化曲線。(e)樣品在1000次測(cè)試循環(huán)中CPU溫度變化曲線。(f)兩步處理樣品與液態(tài)金屬在180天測(cè)試周期內(nèi)的性能評(píng)分變化對(duì)比。

未經(jīng)兩步處理樣品的實(shí)際散熱效果比液態(tài)金屬差,但仍顯著優(yōu)于TC-5888導(dǎo)熱硅脂(代表性高端導(dǎo)熱硅脂)。經(jīng)超聲-拋光處理后,樣品的跑分表現(xiàn)與液態(tài)金屬相當(dāng)(圖2d)。在滿載運(yùn)行CPU散熱方面,在前600各循環(huán),樣品可以將其溫度控制在86-88 ℃,稍差于液態(tài)金屬(84-86 ℃);當(dāng)測(cè)試循環(huán)超過(guò)600次后,樣品的實(shí)際控溫表現(xiàn)與液態(tài)金屬相當(dāng),二者均可將CPU溫度控制在86 ℃(圖5e)。在持續(xù)6個(gè)月的散熱效果測(cè)試中,樣品可持續(xù)展現(xiàn)優(yōu)良的跑分表現(xiàn);相比之下,液態(tài)金屬在測(cè)試時(shí)間超過(guò)100天后跑分表現(xiàn)持續(xù)降低。

【全文小結(jié)】

1.經(jīng)超聲波處理,樣品在50 psi壓力下的壓縮應(yīng)變從20%升高至45%;

2.經(jīng)超聲波+拋光處理,樣品在50 psi壓力下的總熱阻從8.4 mm2K/W降低至1.8 mm2K/W;

3.與液態(tài)金屬相比,在持續(xù)6個(gè)月的實(shí)際散熱效果測(cè)試中,樣品具有優(yōu)異且穩(wěn)定的散熱表現(xiàn);

4.超聲波+拋光處理技術(shù)解決了垂直排列碳材料基復(fù)合導(dǎo)熱墊片的壓縮性與界面接觸性能的矛盾。

https://authors.elsevier.com/a/1mHTb9CyxdAg1L


【通訊作者簡(jiǎn)介】

楚盛,男,中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授。2006年本科畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理系,2011年在美國(guó)加州大學(xué)河濱分校獲得電子工程博士學(xué)位,2011年-2012年繼續(xù)在加州大學(xué)河濱分校從事博士后研究,2012年入職中山大學(xué)任“百人計(jì)劃”教授,2016年獲聘廣東省青年珠江學(xué)者。發(fā)表論文60余篇,包括Nat. Nanotechnol.、ACS Nano、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces等。研究成果曾被Washington Post, Science today, Scientific American等多家媒體報(bào)道。

—— 芯榜 ——

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