南京大学沈群东教授团队Nat. Commun：利用三维导热网络和电卡制冷的协同效应对芯片进行热管理

南京大学沈群东教授团队Nat. Commun：利用三维导热网络和电卡制冷的协同效应对芯片进行热管理

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01、导读

当今时代，随着5G芯片的快速发展，高效的热结构和对巨大热量的精确管理成为耗电电子器件面临的重大挑战。随着器件尺寸的减小和功耗密度增加对器件性能的限制，人们对高效的热管理系统产生了迫切需求。大功率模块的大多数传统冷却技术主要是利用空气或液体的强制循环将热量传递到外部散热器或冷板。最近的研究表明，基于液体的微流体的定向热泵系统实现了低能耗和绿色环保的高通量传热。但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散热。此外，它们还面临着低温差进行高效冷却的挑战，因此需要额外的冷却装置。

电卡制冷（Electrocaloric refrigeration）作为一种主动的固态制冷技术，具有效率高、环保、易于小型化等特点，依赖于铁电材料在电场变化下的可逆热变。近些年，聚合物铁电体材料因其优异的电热性能、灵活性和易于大规模制造而得到广泛研究。然而，电卡材料固有的低热导率还没有引起研究人员的足够重视，在散热器与热源的高速切换过程中，操作频率增加时往往会出现冷却性能下降的情况。在聚合物基质中构建连续的三维导热网络已被证明是改善被动式热管理材料热传输性能有效简单的方法。

02、成果掠影

鉴于此，南京大学沈群东教授团队报道了一种具有高导热路径和三维互穿结构的电卡聚合物，复合材料相比纯聚合物电卡性能提高了240 %，导热性能提高了300 %。基于此，研究人员构建了拥有被动导热网络和主动电卡制冷协同效应的5G芯片单热点冷却热管理原型器件。嵌入在电卡聚合物中的连续三维铁电陶瓷导热网络，在电磁驱动下作为有序偶极子的成核位点，可以有效地收集场致偶极熵变化热点处产生的热能，此外，两种组分的协同效应还提供了较大的界面接触面积，实现了声子的高速传导，实现了热量的快速传输。更重要的是，显著降低了在电热循环中切换偶极态的电能，并增加了低场下的可操纵熵。该器件在低至30 V μm^-1的电场下，可以实现加热和冷却的最大热通量，从而保证了主动冷却装置在半导体芯片的最大供电电压下正常工作。这种可行的解决方案为实现下一代智能微电子器件精确定点热管理具有重要的参考价值。

相关研究成果以“Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration”为题发表在国际著名期刊Nature Communications上。

03、核心创新点

1、研究构建了具有高导热路径和三维互穿结构的电卡聚合物，复合材料的电卡性能提高了240 %，导热性能提高了300 %。基于此，构建了拥有被动导热网络和主动电卡制冷协同效应的5G芯片单热点冷却热管理原型器件。

2、该器件加热和冷却的最大热通量在低至30 Vμm^-1的电场下实现，这确保了主动冷却设备在半导体芯片的最大电源电压下正常运行。

04、数据概览

图1 通过三维导热网络增强电加热性能的结构起源 © 2022 The Author(s)

（a）在受限状态空间中诱导聚合物从顺电（非极性）向类铁电（极性）相转变的示意图；

（b）3-D CNet的SEM图像；

（c）Ba、Ca、Ti、O和F的元素映射证实了连续3-D CNet在3-3 PCC中实现；

（d）3-3 PCC的光学图像；

（e）纯聚合物和3-3 PCC的ΔS和ΔT作为外加电场的函数；

（f）纯聚合物和3-3 PCC的极化与电场；

（g）3-3 PCC介电常数和损耗（tanδ）的温度依赖性；

（h）随着电场的增加，3-3 PCC的原位XRD图谱；

（i）3-3 PCC作为2Θ和电场的函数的原位XRD强度图；

（j）0和40 MV m^-1时的极性相位比直方图；

图2 3-3 PCC材料的优良导热性 © 2022 The Author(s)

（a）通过有限元模拟优化的三维热传导结构示意图；

（b）选定时间的红外热图像；

（c,d）在加热和冷却过程中，温度与时间的曲线；

（e,f）在加热和冷却过程中，温度与时间之间的分差；

（g,h）达到稳定值时三次平均温度上升和下降时间的统计直方图；

（i）导热性；

图3 一种固态电热冷却装置 © 2022 The Author(s)

（a）电卡聚合物堆和固态冷却装置的示意图；

（b）有源EC装置的照片，通过3D打印获得了详细的主框架；

（c）该示意图显示了电磁场如何驱动电热聚合物堆将热量从热源转移到散热器；

（d）基于偶极熵变化的ECE工作机制；

（e）冷却循环的时域图示；

（f）热通量传感器在0 Hz的操作频率下测量的加热和冷却的电热堆的最大热通量与施加的电场的关系；

（g）主动电卡冷却中CPU的红外热图像；

（h）CPU在空气中的温度与时间曲线；

05、成果启示

综上所述，该工作展示了一种通用且实用的方法，利用三维无铅铁电陶瓷互穿网络来调节松弛型铁电聚合物的热导率和电制冷性能。三维CNet进入聚合物基体增强了极性/非极性相以及陶瓷网络/聚合物的界面面积，从而增加了低场下的可操纵熵。另一方面，连续的三维网络结构开辟了声子的高速热传导路径，实现了电热层中的快速冷/热传输。与纯聚合物相比，所得材料的电热性能提高240%，热导率提高300%。基于此，研究人员开发了一个放大版的设备原型，用于5G芯片的单热点冷却。该研究为下一代智能微电子器件的精确定点热管理提供了可行的解决方案。

文献链接：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。