現代微電子技術(shù)對減小尺寸和增加開(kāi)關(guān)頻率的壓力導致了巨大的功耗密度，限制了器件的性能，并要求高效的熱管理系統。目前大多數大功率模塊的傳統冷卻技術(shù)是通過(guò)強制空氣或液體循環(huán)將熱量傳遞到外部散熱器或冷板。但是，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(dòng)冷卻系統即使借助熱界面材料也難以實(shí)現快速傳熱。

　　日前，南京大學(xué)沈群東教授設計制備了一種具有高度導熱途徑的互穿結構的電熱聚合物，使聚合物的電熱性能提高了240%，熱導率提高了300%。利用這種電熱合成體和電磁驅動(dòng)，研究者成功制作了一個(gè)放大版的5g芯片單熱點(diǎn)冷卻裝置。嵌入在聚合物中的連續三維導熱網(wǎng)絡(luò )在外加電場(chǎng)作用下作為有序偶極子的成核位點(diǎn)，有效地在場(chǎng)驅動(dòng)偶極子熵變化產(chǎn)生的熱點(diǎn)處收集熱能，開(kāi)辟了聲子的高速傳導路徑。因此，這兩種組分的協(xié)同解決了電活性聚合物及其低導熱接觸界面散熱緩慢的難題。更重要的是，該方法顯著(zhù)降低了電熱循環(huán)過(guò)程中用于切換偶極態(tài)的電能，并增加了低場(chǎng)下的可操作熵。該方法有助于下一代智能微電子器件的精確定點(diǎn)熱管理。相關(guān)工作以“Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration”發(fā)表在《Nature Communications》。

圖1. 三維導熱網(wǎng)絡(luò )提高電熱性能

　　3-3 PCC電熱性能

　　研究者將3-D陶瓷網(wǎng)絡(luò )（3-D CNet）引入到聚合物基質(zhì)中，導致網(wǎng)絡(luò )的界面區域和間隙中的分子鏈處于受限狀態(tài)，從而導致非極性構象分子鏈向極性構象的轉換（圖1a）。在3-3鐵電聚合物/陶瓷復合材料（3-3 PCC）中，研究者首次巧妙地將傳統的被動(dòng)傳熱與主動(dòng)電熱冷卻相結合。其中，研究者選擇了無(wú)鉛鐵電陶瓷Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3（BCZT）作為聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯化氟乙烯）（P(VDF-TrFE-CFE)）聚合物基質(zhì)中的連續三維CNet（圖1b）。3-3 PCC的截面SEM元素圖表明3-3 PCC材料中成功構建了連續的三維陶瓷導熱通路（圖1c）。此外，3-3 PCC具有良好的靈活性（圖1d），這有利于其與芯片表面良好的接觸，熱量傳遞出去。

　　在聚合物中引入三維導熱網(wǎng)絡(luò )后，3-3 PCC的系統熵顯著(zhù)增加（圖1e）。這導致了在低電場(chǎng)下可操作的熵增加，從而產(chǎn)生較大的電熱效應（ECE）。與純聚合物相比，3-3 PCC的最大極化值大約是相同場(chǎng)強下聚合物的兩倍（圖1f）。因此，在該體系中，ECE的顯著(zhù)增強與向聚合物中插入3-D CNet后對極化性能的調制有關(guān)。并且，3-3 PCC的介電特性隨溫度的變化如圖1g所示。而在3-3 PCC中，隨著(zhù)電場(chǎng)的增大，非極性相的衍射峰逐漸減小，而極性相的衍射峰逐漸增大（圖1h-i），同時(shí)，兩個(gè)衍射峰都隨著(zhù)電場(chǎng)的增大而向大角度偏移。定量分析3-3 PCC表明，當電場(chǎng)增大到40 MV m?1時(shí)，極性相的體積分數由初始的32%增加到43%；而對于純聚合物，體積分數僅為3.5%（圖1j）。

圖2. 3-3 PCC材料優(yōu)異的導熱性能

　　熱導率調節

　　研究者采用有限元法研究了引入三維導熱網(wǎng)絡(luò )對聚合物被動(dòng)傳熱行為的影響。首先，研究者模擬了導熱填料不連續地分散在聚合物中或以三維網(wǎng)絡(luò )形式存在的傳熱行為。3-D網(wǎng)絡(luò )結構提供了連續的聲子通路，大大提高了3-3 PCC的被動(dòng)傳熱性能（圖2a）。與純聚合物相比，3-3 PCC具有優(yōu)越的被動(dòng)傳熱性能（圖2b）。加熱和冷卻過(guò)程中的溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖2c-e所示，3-3 PCC在比純聚合物更短的時(shí)間內達到溫度最大值或降至室溫。溫度對時(shí)間的一階偏導數與加熱速率和冷卻速率有關(guān)。它們在初始加熱（冷卻）時(shí)達到最大值（負最低點(diǎn)），然后隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸降低（負值逐漸趨向于零）（圖2d）。無(wú)論加熱還是冷卻，3-3 PCC樣品的一階偏導數均最大。這進(jìn)一步驗證了其優(yōu)良的導熱性。3-3 PCC加熱實(shí)驗的平均時(shí)間比純聚合物快11.9 s，冷卻速度快16.1 s（圖2g-h）。然后，研究者通過(guò)閃光DSC檢測相應薄膜厚度方向的導熱系數（圖2i）。

圖3. 一種固態(tài)電熱冷卻裝置

　　用于芯片冷卻的電熱制冷裝置

　　研究者設計了一種利用電磁驅動(dòng)實(shí)現芯片主動(dòng)冷卻的電冷器。為了避免驅動(dòng)和主動(dòng)冷卻模塊之間的相互干擾，這兩者被一個(gè)外部的3-D打印框架有效地隔開(kāi)。主動(dòng)冷卻器從上到下主要由電磁鐵、可磁化鋼墊片、散熱器、電熱堆和熱源組成（圖3a）。電制冷裝置在散熱器和熱源之間周期性切換的照片如圖3b所示。當溫度下降時(shí)，電熱量堆從較低的熱源吸收熱量來(lái)實(shí)現冷卻（圖3c-d）。值得注意的是，在整個(gè)過(guò)程中，電熱量冷卻器將熱量從底部的熱源泵到頂部的散熱器，完成了一個(gè)主動(dòng)冷卻的單循環(huán)。在對電熱冷卻層施加/去除電場(chǎng)之前，為了使電熱堆棧與冷/熱源充分接觸，繼電器r2的開(kāi)關(guān)時(shí)間總是比繼電器r1晚0.1 s（圖3e）。值得注意的是，在0.1 Hz的工作頻率下，用熱流傳感器測量加熱側和冷卻側電熱堆相對于外加電場(chǎng)的最大熱流（圖3f）。通常電熱設備的啟動(dòng)溫度為50 ℃，考慮到在實(shí)際工作中溫度過(guò)高會(huì )降低CPU的效率。啟動(dòng)電冷器（U1=12 V，1 Hz，E=30 MV m?1）后，原本在空氣中冷卻的芯片表面溫度從71.4 °C下降到63 °C（圖3h）。以上結果表明，電冷器可以保持芯片溫度（63 °C）遠離高失效風(fēng)險范圍。進(jìn)一步證明了主動(dòng)電冷熱能以精確、高效、可擴展的方式實(shí)現5g芯片的冷卻。

　　小結：綜上所述，研究者設計制備了一種利用三維無(wú)鉛鐵電陶瓷互穿網(wǎng)絡(luò )來(lái)調節弛豫型鐵電聚合物的導熱性能和電制冷性能的通用而實(shí)用的方法。在聚合物基體中引入三維CNet不僅增加了極性納米結構域的數量，還增加了極性/非極性相和陶瓷網(wǎng)絡(luò )/聚合物的界面面積，從而增加了低場(chǎng)下的可操作熵。另一方面，連續的三維網(wǎng)絡(luò )結構在納米疇成核形成的“熱點(diǎn)”處開(kāi)辟了聲子的高速熱傳導路徑，使電熱層中的快速冷/熱傳輸成為可能。