南京大学沈群东教授《自然·通讯》：利用三维导热网络和电热制冷协同效应的芯片热管理装置

　　现代微电子技术对减小尺寸和增加开关频率的压力导致了巨大的功耗密度，限制了器件的性能，并要求高效的热管理系统。目前大多数大功率模块的传统冷却技术是通过强制空气或液体循环将热量传递到外部散热器或冷板。但是，由于热流路径上的多层结构和界面处不可避免的热阻，这种被动冷却系统即使借助热界面材料也难以实现快速传热。

　　日前，南京大学沈群东教授设计制备了一种具有高度导热途径的互穿结构的电热聚合物，使聚合物的电热性能提高了240%，热导率提高了300%。利用这种电热合成体和电磁驱动，研究者成功制作了一个放大版的5g芯片单热点冷却装置。嵌入在聚合物中的连续三维导热网络在外加电场作用下作为有序偶极子的成核位点，有效地在场驱动偶极子熵变化产生的热点处收集热能，开辟了声子的高速传导路径。因此，这两种组分的协同解决了电活性聚合物及其低导热接触界面散热缓慢的难题。更重要的是，该方法显著降低了电热循环过程中用于切换偶极态的电能，并增加了低场下的可操作熵。该方法有助于下一代智能微电子器件的精确定点热管理。相关工作以“Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration”发表在《Nature Communications》。

图1. 三维导热网络提高电热性能

　　3-3 PCC电热性能

　　研究者将3-D陶瓷网络（3-D CNet）引入到聚合物基质中，导致网络的界面区域和间隙中的分子链处于受限状态，从而导致非极性构象分子链向极性构象的转换（图1a）。在3-3铁电聚合物/陶瓷复合材料（3-3 PCC）中，研究者首次巧妙地将传统的被动传热与主动电热冷却相结合。其中，研究者选择了无铅铁电陶瓷Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3（BCZT）作为聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯化氟乙烯）（P(VDF-TrFE-CFE)）聚合物基质中的连续三维CNet（图1b）。3-3 PCC的截面SEM元素图表明3-3 PCC材料中成功构建了连续的三维陶瓷导热通路（图1c）。此外，3-3 PCC具有良好的灵活性（图1d），这有利于其与芯片表面良好的接触，热量传递出去。

　　在聚合物中引入三维导热网络后，3-3 PCC的系统熵显著增加（图1e）。这导致了在低电场下可操作的熵增加，从而产生较大的电热效应（ECE）。与纯聚合物相比，3-3 PCC的最大极化值大约是相同场强下聚合物的两倍（图1f）。因此，在该体系中，ECE的显著增强与向聚合物中插入3-D CNet后对极化性能的调制有关。并且，3-3 PCC的介电特性随温度的变化如图1g所示。而在3-3 PCC中，随着电场的增大，非极性相的衍射峰逐渐减小，而极性相的衍射峰逐渐增大（图1h-i），同时，两个衍射峰都随着电场的增大而向大角度偏移。定量分析3-3 PCC表明，当电场增大到40 MV m?1时，极性相的体积分数由初始的32%增加到43%；而对于纯聚合物，体积分数仅为3.5%（图1j）。

图2. 3-3 PCC材料优异的导热性能

　　热导率调节

　　研究者采用有限元法研究了引入三维导热网络对聚合物被动传热行为的影响。首先，研究者模拟了导热填料不连续地分散在聚合物中或以三维网络形式存在的传热行为。3-D网络结构提供了连续的声子通路，大大提高了3-3 PCC的被动传热性能（图2a）。与纯聚合物相比，3-3 PCC具有优越的被动传热性能（图2b）。加热和冷却过程中的温度随时间的变化曲线如图2c-e所示，3-3 PCC在比纯聚合物更短的时间内达到温度最大值或降至室温。温度对时间的一阶偏导数与加热速率和冷却速率有关。它们在初始加热（冷却）时达到最大值（负最低点），然后随着时间的推移逐渐降低（负值逐渐趋向于零）（图2d）。无论加热还是冷却，3-3 PCC样品的一阶偏导数均最大。这进一步验证了其优良的导热性。3-3 PCC加热实验的平均时间比纯聚合物快11.9 s，冷却速度快16.1 s（图2g-h）。然后，研究者通过闪光DSC检测相应薄膜厚度方向的导热系数（图2i）。

图3. 一种固态电热冷却装置

　　用于芯片冷却的电热制冷装置

　　研究者设计了一种利用电磁驱动实现芯片主动冷却的电冷器。为了避免驱动和主动冷却模块之间的相互干扰，这两者被一个外部的3-D打印框架有效地隔开。主动冷却器从上到下主要由电磁铁、可磁化钢垫片、散热器、电热堆和热源组成（图3a）。电制冷装置在散热器和热源之间周期性切换的照片如图3b所示。当温度下降时，电热量堆从较低的热源吸收热量来实现冷却（图3c-d）。值得注意的是，在整个过程中，电热量冷却器将热量从底部的热源泵到顶部的散热器，完成了一个主动冷却的单循环。在对电热冷却层施加/去除电场之前，为了使电热堆栈与冷/热源充分接触，继电器r2的开关时间总是比继电器r1晚0.1 s（图3e）。值得注意的是，在0.1 Hz的工作频率下，用热流传感器测量加热侧和冷却侧电热堆相对于外加电场的最大热流（图3f）。通常电热设备的启动温度为50 ℃，考虑到在实际工作中温度过高会降低CPU的效率。启动电冷器（U1=12 V，1 Hz，E=30 MV m?1）后，原本在空气中冷却的芯片表面温度从71.4 °C下降到63 °C（图3h）。以上结果表明，电冷器可以保持芯片温度（63 °C）远离高失效风险范围。进一步证明了主动电冷热能以精确、高效、可扩展的方式实现5g芯片的冷却。

　　小结：综上所述，研究者设计制备了一种利用三维无铅铁电陶瓷互穿网络来调节弛豫型铁电聚合物的导热性能和电制冷性能的通用而实用的方法。在聚合物基体中引入三维CNet不仅增加了极性纳米结构域的数量，还增加了极性/非极性相和陶瓷网络/聚合物的界面面积，从而增加了低场下的可操作熵。另一方面，连续的三维网络结构在纳米畴成核形成的“热点”处开辟了声子的高速热传导路径，使电热层中的快速冷/热传输成为可能。