电子设备的热管理需要能够有效散热的材料,金刚石2000W/mK的热导率仍然是导热系数最高的块状材料。
碳基材料(石墨烯、碳纳米管、金刚石、石墨等)在电子设备的热管理中已有应用,可并没有带来令人惊喜的效果,人们依然在优化和研发更高效的散热材料和解决方案。
近日,来自美国麻省理工学院的陈刚教授、波士顿大学的David Broido教授和已入职北京大学的宋柏特聘研究员(共同通讯作者)联合报道了他们的研究成果[1],通过实验表征,发现包含约99%B-10 或B-11同位素富集的纯立方氮化硼(cBN),在室温下热导率达到1600 W/mK,是金刚石的75%。
立方氮化硼晶体
立方氮化硼、砷化硼及金刚石等在不同温度下的热导率
超高的热导率和6.2 eV的宽禁带带隙,使立方氮化硼在微电子材料热管理、高功率电子和光电器件等方面表现出潜在的应用前景。
在2018年,来自美国的多个大学实验室[2] [3] [4],通过不同方法独立制备出热导率可以媲美金刚石的砷化硼晶体,热导率可达900 W/mK~1300 W/mK,而预测的理论值甚至可高达2200 W/mK,价格却比金刚石更便宜。
3.5mm的砷化硼晶体,来自休斯顿大学研究组[4]
热是由声子(晶格振动)负责承载,而砷和硼本身的质量差异,造成声学声子和光学声子存在较大的频率间隙,此特性让热在晶体之间的传导更具效率。
在半导体领域,砷化硼晶体和硅半导体具有类似的1.5 ev带隙,热膨胀系数也接近,当整合进入半导体器件时,由于热应力的降低,可以减少热界面材料的使用量[5]。
而在2019年,3C龙头大厂Acer 发布了一款热界面材料Predator PowerGem(导热膏)。
Acer表示,PowerGem热导率大约在 1500 W/mK左右,垂直方向热传导率为市面导热膏的3.83倍,液态金属导热膏的主要成分镓的热导率40.6W/mK和其相比实在是相形见绌。
Predator PowerGem 与其它常用金属热导率对比
Acer称,PowerGem应用于笔记本电脑时,处理器耗电量(原文:power envelope)可以从90W大幅提升至160W,即便是现有处理器,也有12.5%的效能提升;PowerGem将会被用于Predator Orion 9000 和 Predator Helios 700 两款笔记本电脑中[6]。
参考资料
[1]Ultrahigh thermal conductivity in isotope-enriched cubic boronnitride. Science. 367, 555–559 (2020).
[2]Experimental observation of high thermal conductivity in boron arsenide. Science. 361, 575-578 (2018).
[3]High thermal conductivity in cubic boron arsenide crystals. Science. 361, 579-581 (2018).
[4]Unusual high thermal conductivity in boronarsenide bulk crystals. Science. 361, 582-585 (2018).
[5]砷化硼导热率有望追上钻石,成为便宜又好用的散热膏材料。
[6]Predator PowerGem 比液态金属更强!?