Compliance-tunable thermal interface materials based on vertically oriented carbon fiber arrays for high-performance thermal management

材料科学 热的 聚二甲基硅氧烷 复合材料 电子设备和系统的热管理 散热膏 热阻 热导率 机械工程 物理 工程类 气象学
作者
Junwei Li,Zhenqiang Ye,Pingjing Mo,Yunsong Pang,Enze Gao,Chenxu Zhang,Guoping Du,Rong Sun,Xiaoliang Zeng
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:234: 109948-109948 被引量:78
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2023.109948
摘要

With the ever-shrinking characteristic dimension of chips and the increasing of packaging density, heat dissipation has become the most critical technology challenge for electronic devices. The development of high-performance thermal interface materials (TIMs) for enhancing thermal coupling and minimizing thermal resistance between heterogeneous components is the key to achieving efficient thermal management of electronic devices. Herein, we report a high-performance carbon fiber/polydimethylsiloxane (CF/PDMS) TIM based on the construction of vertically oriented carbon fiber arrays and the modulation of PDMS's crosslinking density. The resulting CF/PDMS TIM exhibits highly desirable characteristics of through-plane thermal conductivity up to 43.47 W/m∙K (only 20 vol% loading), outstanding elastic compliance similar to soft biological tissues (stress ∼ 35 kPa at 35% compressive strain), and excellent resilience performance (resilience rate of 85% after compression cycles). In addition, the heat dissipation capability of CF/PDMS TIM is improved further by forming interconnected heat-conducting structures on the CF/PDMS TIM's surface. The optimal CF/PDMS TIM in microprocessor cooling application exhibits superior heat dissipation capability and stability during 1000 power cycles, resulting in a 68 °C reduction in the chip temperature compared with the state-of-the-art commercial TIM. This work opens up a new avenue for fabricating high-performance TIMs that meet the heat dissipation requirements of high-performance computing.
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