南京大學沈群東教授團隊Nat. Commun：利用三維導熱網絡和電卡制冷的協同效應對芯片進行熱管理

南京大學沈群東教授團隊Nat. Commun：利用三維導熱網絡和電卡制冷的協同效應對芯片進行熱管理

LWB

01、導讀

當今時代，隨著5G芯片的快速發展，高效的熱結構和對巨大熱量的精確管理成為耗電電子器件面臨的重大挑戰。隨著器件尺寸的減小和功耗密度增加對器件性能的限制，人們對高效的熱管理系統產生了迫切需求。大功率模塊的大多數傳統冷卻技術主要是利用空氣或液體的強制循環將熱量傳遞到外部散熱器或冷板。最近的研究表明，基于液體的微流體的定向熱泵系統實現了低能耗和綠色環保的高通量傳熱。但由于熱流路徑上的多層結構和界面處不可避免的熱阻，這種被動冷卻系統即使借助熱界面材料也難以實現快速散熱。此外，它們還面臨著低溫差進行高效冷卻的挑戰，因此需要額外的冷卻裝置。

電卡制冷（Electrocaloric refrigeration）作為一種主動的固態制冷技術，具有效率高、環保、易于小型化等特點，依賴于鐵電材料在電場變化下的可逆熱變。近些年，聚合物鐵電體材料因其優異的電熱性能、靈活性和易于大規模制造而得到廣泛研究。然而，電卡材料固有的低熱導率還沒有引起研究人員的足夠重視，在散熱器與熱源的高速切換過程中，操作頻率增加時往往會出現冷卻性能下降的情況。在聚合物基質中構建連續的三維導熱網絡已被證明是改善被動式熱管理材料熱傳輸性能有效簡單的方法。

02、成果掠影

鑒于此，南京大學沈群東教授團隊報道了一種具有高導熱路徑和三維互穿結構的電卡聚合物，復合材料相比純聚合物電卡性能提高了240 %，導熱性能提高了300 %。基于此，研究人員構建了擁有被動導熱網絡和主動電卡制冷協同效應的5G芯片單熱點冷卻熱管理原型器件。嵌入在電卡聚合物中的連續三維鐵電陶瓷導熱網絡，在電磁驅動下作為有序偶極子的成核位點，可以有效地收集場致偶極熵變化熱點處產生的熱能，此外，兩種組分的協同效應還提供了較大的界面接觸面積，實現了聲子的高速傳導，實現了熱量的快速傳輸。更重要的是，顯著降低了在電熱循環中切換偶極態的電能，并增加了低場下的可操縱熵。該器件在低至30 V μm^-1的電場下，可以實現加熱和冷卻的最大熱通量，從而保證了主動冷卻裝置在半導體芯片的最大供電電壓下正常工作。這種可行的解決方案為實現下一代智能微電子器件精確定點熱管理具有重要的參考價值。

相關研究成果以“Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration”為題發表在國際著名期刊Nature Communications上。

03、核心創新點

1、研究構建了具有高導熱路徑和三維互穿結構的電卡聚合物，復合材料的電卡性能提高了240 %，導熱性能提高了300 %。基于此，構建了擁有被動導熱網絡和主動電卡制冷協同效應的5G芯片單熱點冷卻熱管理原型器件。

2、該器件加熱和冷卻的最大熱通量在低至30 Vμm^-1的電場下實現，這確保了主動冷卻設備在半導體芯片的最大電源電壓下正常運行。

04、數據概覽

圖1 通過三維導熱網絡增強電加熱性能的結構起源 ? 2022 The Author(s)

（a）在受限狀態空間中誘導聚合物從順電（非極性）向類鐵電（極性）相轉變的示意圖；

（b）3-D CNet的SEM圖像；

（c）Ba、Ca、Ti、O和F的元素映射證實了連續3-D CNet在3-3 PCC中實現；

（d）3-3 PCC的光學圖像；

（e）純聚合物和3-3 PCC的ΔS和ΔT作為外加電場的函數；

（f）純聚合物和3-3 PCC的極化與電場；

（g）3-3 PCC介電常數和損耗（tanδ）的溫度依賴性；

（h）隨著電場的增加，3-3 PCC的原位XRD圖譜；

（i）3-3 PCC作為2Θ和電場的函數的原位XRD強度圖；

（j）0和40 MV m^-1時的極性相位比直方圖；

圖2 3-3 PCC材料的優良導熱性 ? 2022 The Author(s)

（a）通過有限元模擬優化的三維熱傳導結構示意圖；

（b）選定時間的紅外熱圖像；

（c,d）在加熱和冷卻過程中，溫度與時間的曲線；

（e,f）在加熱和冷卻過程中，溫度與時間之間的分差；

（g,h）達到穩定值時三次平均溫度上升和下降時間的統計直方圖；

（i）導熱性；

圖3 一種固態電熱冷卻裝置 ? 2022 The Author(s)

（a）電卡聚合物堆和固態冷卻裝置的示意圖；

（b）有源EC裝置的照片，通過3D打印獲得了詳細的主框架；

（c）該示意圖顯示了電磁場如何驅動電熱聚合物堆將熱量從熱源轉移到散熱器；

（d）基于偶極熵變化的ECE工作機制；

（e）冷卻循環的時域圖示；

（f）熱通量傳感器在0 Hz的操作頻率下測量的加熱和冷卻的電熱堆的最大熱通量與施加的電場的關系；

（g）主動電卡冷卻中CPU的紅外熱圖像；

（h）CPU在空氣中的溫度與時間曲線；

05、成果啟示

綜上所述，該工作展示了一種通用且實用的方法，利用三維無鉛鐵電陶瓷互穿網絡來調節松弛型鐵電聚合物的熱導率和電制冷性能。三維CNet進入聚合物基體增強了極性/非極性相以及陶瓷網絡/聚合物的界面面積，從而增加了低場下的可操縱熵。另一方面，連續的三維網絡結構開辟了聲子的高速熱傳導路徑，實現了電熱層中的快速冷/熱傳輸。與純聚合物相比，所得材料的電熱性能提高240%，熱導率提高300%。基于此，研究人員開發了一個放大版的設備原型，用于5G芯片的單熱點冷卻。該研究為下一代智能微電子器件的精確定點熱管理提供了可行的解決方案。

文獻鏈接：Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration，2022，https://doi.org/10.1038/s41467-022-33596-z）

本文由LWB供稿。