日本瑞翁公司(Zeon)2016年11月10日宣布，開發(fā)出了利用單層碳納米管(SGCNT)高導熱性的熱界面片材，并以要求高散熱性的服務器及個人電腦等的CPU、SiC(碳化硅)類功率模塊等為對象，作為可使散熱措施得到大幅提高的“散熱”片材開始樣品供貨。
SGCNT是單層片材卷成圓筒狀的碳納米材料(圖1)，單層片材是碳原子排列成正六邊形網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)。SGCNT的導熱率出色，是銅的大約10倍。瑞翁將微量的SGCNT(直徑為0.3～0.4nm、長度為數(shù)100μm)和石墨類顆粒分散到氟類橡膠中，在橡膠內(nèi)形成碳納米材料的微細網(wǎng)格，成功實現(xiàn)了熱界面片材在厚度方向上的導熱率，以及可確保橡膠柔軟性的硬度。
圖1：單層碳納米管(SGCNT)。圖片由日本單層CNT融合新材料研究開發(fā)機構(gòu)(TASC)制作。
具體而言，將熱界面片材(圖2)在厚度方向上的導熱率大幅提高到了38W/m·K，并使表示橡膠硬度的Asker硬度降低到了59。而在此前，熱界面片材在厚度方向上的導熱率只有2W/m·K，硬度高達到88。如果Asker硬度高，在CPU與散熱模塊之間夾著熱界面片材時，由于緊貼性差，就會在局部形成熱阻高的部分，造成導熱不良。
圖2：日本瑞翁開發(fā)的熱界面片材
此次的開發(fā)品由于Asker度低，因此可同時緊貼于CPU和散模塊的表面，充分確保導熱性(圖3)。具體措施是將CPU和散熱模塊用螺絲來固定。據(jù)介紹，原來采用的方法是涂覆油脂類熱界面材料，對CPU與散熱模塊等實施熱結(jié)合，但“存在油脂很難涂，出現(xiàn)不均勻部分及液滴等問題”。
圖3：熱界面片材使用時的示意圖
日本瑞翁介紹稱，此次開發(fā)的熱界面片材表現(xiàn)出色的地方在于，“在使用范圍的大壓力范圍內(nèi)顯示出低熱阻”。如圖4所示，“此次開發(fā)的熱界面片材的曲線(標記ZEON的藍色曲線)在0.2～0.4MPa的壓力范圍內(nèi)熱阻值僅為約0.05℃/W，可充分導熱”。而原來的油脂類熱界面材料的熱阻值要高約2倍，達到0.1℃/W。該油脂類熱界面材料通過在內(nèi)部分散銀納米顆粒等來降低熱阻。
圖4：熱界面片材的壓力與熱阻關系圖(圖片由日本瑞翁制作)
日本瑞翁表示，此次開發(fā)的散熱片材已面向服務器及功率電子部件用途分別向某公司供應了樣品，目前正朝著實際采用的方向展開商談。當前的目標是，1年內(nèi)使此次開發(fā)的熱界面片材出貨6萬m2左右。為此，日本瑞翁計劃今年12月15日在其子公司瑞翁化成的茨城工廠內(nèi)構(gòu)筑這種散熱片材的中試工廠，從2017年4月30日開始進入穩(wěn)定生產(chǎn)。順便一提，SGCNT由日本瑞翁的德山工廠生產(chǎn)。
瑞翁相關負責人介紹說，“雖然以前就實現(xiàn)了面方向?qū)崧实奶岣?，但提高與面垂直的厚度方向的導熱率是非常難的”。“此次實現(xiàn)的技術(shù)可使SGCNT和石墨類顆粒在氟類橡膠內(nèi)充分分散，并沿著厚度方向做一定程度的排列，我們對這一其他公司無法模仿的自主技術(shù)充滿自信”。估計瑞翁已采取了保證這一點的知識財產(chǎn)戰(zhàn)略。
此次開發(fā)的散熱片材不僅可推進電子及電氣部件等走向小型化及高性能化，同時還有望獲得衍生效應，比如憑借“量產(chǎn)效應”使目前每公斤高達百萬日元的高昂SGCNT材料成本降低，促進添加SGCNT的高性能橡膠等實現(xiàn)低價格，以及使油壓類等機構(gòu)實現(xiàn)高性能等等。SGCNT將由此走向工業(yè)材料化，可以說這才是此次開發(fā)的最大成果。 
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