一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片

本技术涉及复合散热片。

背景技术：

1、随着5g移动通信系统产业的快速发展，电子电路系统中芯片不断向小型化、轻量化、高集成度和高性能方向发展。但是芯片的高度集成在提升计算效率的同时会引发单位工作空间内热量积聚的问题，过热现象反而会影响计算效率甚至致使电路烧毁。因此有效降低芯片热密度而实现集成电路稳定长期的运行成为了紧迫需求。目前常用的热管理材料包括金属(如银、铜、铝)，陶瓷(如砷化镓、氮化铝、碳化硅)以及先进碳材料(如金刚石、石墨烯、碳纤维)，其中碳材料因具有质量轻、导热系数优异、力学强度高等优势，常用于芯片的散热系统设计。比如碳材料中单晶金刚石的热导率为1800～2400w/(m·k)，石墨烯纸的热导率可达1200～2053w/(m·k)，是常规金属与陶瓷材料热导率的8～10倍。所以，开发极速高导热的碳基材料实现芯片热管理降温具有广泛的市场需求与应用价值。

2、然而，对于某些芯片发热体所营造的极端高温环境，单一的碳材料仍然存在导热能力不足、热量无法有效地向远处输运的问题，因此需要碳材料之间的协同配合实现高效散热。但是，碳材料之间的复合技术往往采用简单的叠压配合，热量需要由上而下步步输送，无疑增加了导热路径；更重要的是，碳材料之间的界面连接通常采取简单的胶接粘接，极大的界面热阻势必会进一步降低整体的有效热导率，恶化整体结构的散热性能。

技术实现思路

1、本实用新型要解决现有碳材料之间简单的叠压配合而致使导热路径增长、导热效率低的问题；同时解决碳材料之间简单的胶接连接界面而致使界面热阻增大、恶化整体结构散热性能的问题；进而提供一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片。

2、一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，它包括单晶金刚石、石墨烯纸及金属型连接层；

3、单晶金刚石上表面设置刻槽，单晶金刚石两侧侧表面对称设置多个水平插槽，石墨烯纸通过水平插槽水平插入单晶金刚石内部；

4、所述的刻槽侧面与底面设置金属型连接层；所述的水平插槽与石墨烯纸之间设置金属型连接层。

5、本实用新型的有益效果是：

6、本实用新型的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，多层石墨烯纸水平插接于单晶金刚石侧面，界面之间以金属型连接层连接，整体形成三明治复合结构，优势在于：

7、1、单晶金刚石热导率极高并且具有各向同性，可迅速将芯片瞬时集中的高温点热源热量运输于单晶金刚石内部，平均耗散为体热源热量，从而降低芯片周围环境热量。

8、2、石墨烯纸热导率极高但是具有各向异性，属于二维导热材料，面内方向的导热性能远高于厚度方向。石墨烯纸插接于单晶金刚石所形成的层叠式复合结构，有利于刚刚进入到单晶金刚石内部的热量，迅速沿着插接的石墨烯纸的水平方向，向远端的热沉输送，可显著缩短导热路径和导热时间。多层石墨烯纸的水平插接使体热源热量转变为二维面热源热量，可进一步降低单晶金刚石内部以及芯片周围环境的热量。

9、3、采用金属型连接层连接芯片外壳与单晶金刚石、连接单晶金刚石与石墨烯纸，可避免高温连接时对芯片、导热碳材料本身性能的破坏；同时，相较于胶接连接层，金属型连接层具有更高的界面连接强度、更低的界面热阻，可达到整体构件力学增强、散热提升的显著效果。

技术特征：

1.一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于它包括单晶金刚石(1)、石墨烯纸(2)及金属型连接层(5)；

2.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于所述的单晶金刚石(1)为(100)晶面金刚石、(111)晶面金刚石或(110)晶面金刚石；所述的单晶金刚石(1)尺寸为(3×3×0.1)mm3～(8×8×1)mm3。

3.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于所述的刻槽(3)尺寸为(1×1×0.04)mm3～(6×6×0.4)mm3；所述的刻槽(3)上沿距单晶金刚石(1)外沿的垂直距离为1.5mm～3.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于所述的单晶金刚石(1)单侧水平插槽(4)的个数为4个～15个。

5.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于所述的水平插槽(4)的深度为0.05mm～3mm，高度为20μm～50μm，宽度为2.8mm～7.8mm。

6.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于最上层的水平插槽(4)与单晶金刚石(1)上表面的距离为20μm～50μm，最下层的水平插槽(4)与单晶金刚石(1)下表面的距离20μm～50μm。

7.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于所述的石墨烯纸(2)的厚度为10μm～30μm，宽度为2.5mm～7.5mm。

8.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于所述的石墨烯纸(2)设置于水平插槽(4)中部。

9.根据权利要求1所述的一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，其特征在于所述的金属型连接层(5)的材质为au80sn20、au88ge12、au96.8si3.2或au80cu20。

技术总结
一种层叠式金刚石/石墨烯异质界面连接的复合散热片，它涉及复合散热片。解决现有碳材料之间简单的叠压配合而致使导热路径增长、导热效率低的问题；同时解决碳材料之间简单的胶接连接界面而致使界面热阻增大、恶化整体结构散热性能的问题。复合散热片包括单晶金刚石、石墨烯纸及金属型连接层；单晶金刚石上表面设置刻槽，单晶金刚石两侧侧表面对称设置多个水平插槽，石墨烯纸通过水平插槽水平插入单晶金刚石内部；所述的刻槽的侧面与底面设置金属型连接层；所述的水平插槽与石墨烯纸之间设置金属型连接层。

技术研发人员：亓钧雷,王宾,彭泳卿,张盛楠,闫耀天,曹健
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：20230807
技术公布日：2024/2/19