面向数字网络设备电子芯片的热管理系统研究
随着科技的发展，现如今电子设备在军事国防领域和人民日常生活中发挥着不可或缺的支撑和关键核心作用。电子设备在工作过程中内部芯片会因为高负载的运行而产生大量的热量，这会导致设备内部的温度到达一个较高的水平;如果不能有效地控制设备内部的温升问题，将导致设备工作性能下降，影响设备工作的寿命和可靠性，在超负荷工作下甚至会因高温而烧毁设备。热管理对电子设备研制和运行至关重要，也是现阶段国际热科学领域研究热点之一。电子设备内部的导热/散热器件的导热与散热能力是影响电子设备热管理能力的关键因素，而这些导热/散热器件大多采用聚合物制备。聚合物复合材料因其具有多种优点(耐腐蚀、重量轻、柔韧性好、经济实用和易加工)，在电子设备领域应用十分广泛。然而，聚合物基体本身的热导率很低,无法满足电子设备领域对复合材料高导热/散热的要求。所以需要提高聚合物复合材料热导率，在聚合物复合材料中添加高导热填料是一种高效可控的解决办法。但这种方法存在一定局限性，导热填料含量过高时，聚合物复合材料的机械和加工性能会很差。如何平衡高导热性和机械性能，不仅是本研究的重要内容，也是该领域所有学者的困惑。 论文系统研究了电子设备外壳、热界面材料、电路印刷板对电子设备热管理系统的影响。通过选择不同的聚合物基体和导热填料，采用不同的加工方法制备了具有特定功能的导热聚合材料，同时，在热管理应用场景下对复合材料制品性能做进一步验证。具体研究内容包括: (1)系统的研究了电子设备热管理系统，通过实验验证了电子设备外壳、热界面材料和电路印刷板的各项性能对电子设备热管理系统的影响，明确了热管理系统中各部件的最佳性能参数，并提出了相应的解决方案，使电子设备热管理系统满足散热要求。 (2)电子设备外壳在芯片与外界的热交换过程中起着决定性的作用，为了保证导热复合材料的散热和力学性能，经过对配方和加工条件的优化设计，制备了具有双连续相结构的PC/ABS散热复合材料用于制造电子设备外壳。ABS相负责散热性能的提高，而PC相则负责机械性能的保持。研究结果表明，复合材料最高的导热系数可达到0.476 W/(m·K),比纯PC的导热系数高138％。与填充PC(fPC)相比，PC/ABS复合材料的机械性能(拉伸强度:38.85 MPa,弯曲强度:48.10MPa,断裂伸长率:6.40％)也得到提高。同时，所制备的PC/ABS复合材料具有良好的电绝缘和介电性能(介电常数:3.07,损耗因子:0.0075)。 (3)热界面材料是电子设备芯片向外部导热的关键部件，所以制备具有可循环利用和良好导热性能的热界面材料对保证设备工作非常重要。采用真空辅助过滤(VAF)技术和超声波辅助强制浸润(UAFI)方法相结合，通过先构建碳纳米管(CNTs)-纤维素纳米晶(CNCs)连续导热网络，再将具有良好机械性能的聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯聚(PBAT)引入CNTs-CNCs网络作为基体材料，得到具有高导热性和优良机械性能的CNTs-CNCs/PBAT复合材料。并通过改变CNTs与CNCs的质量比来优化复合材料性能。研究结果表明,当 CNTs∶CNCs的比例为 10∶1时综合性能最佳，CNTs-CNCs(10∶1)/PBAT复合材料的热导率为4.082 W/(m·K),拉伸强度为6.69 MPa,断裂伸长率为 3.31％。同时，CNTs-CNCs(10∶1)/PBAT 复合材料还表现出良好的导电性(41.67 S/m)、热稳定性(THRI:182.55℃)和电磁屏蔽能力(23.82 dB)。并提出了采用醇解方式实现PBAT基体和导热网络骨架的有效分离和回收，可回收的PBAT复合材料在电子热管理系统的应用方面具有巨大的潜力。 (4)针对电子设备热管理系统中电路印刷板的导热需求。采用聚乙烯醇(PVA)作为粘合剂形成的具有高导热异质结构的玻璃纤维(GF)/氮化硼(BN)网络。GF和BN进一步被3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性，以提高复合材料的导热性。研究结果表明，当BN含量为30％时，得到的PVA-mBN@mGF(PBG)的热扩散系数和热导率分别为2.843mm2/s和1.394 W/(m·K)。然后引入环氧(EP)树脂，通过热压法制备PBG/mBN/EP层压复合材料，作为导热复合材料应用。PBG/mBN/EP层压复合材料的最高导热系数为0.67W/(m·K),比纯EP高3倍。此外，PBG/mBN/EP层压复合材料还具有良好的机械(拉伸强度:37.48MPa,弯曲强度:39.79Mpa,断裂伸长率:2.10％)、电绝缘和介电性能(介电常数:5.11,损耗因子:0.032)。
电子设备;热管理系统;聚合物基体;导热填料;导热性能;机械性能
北京化工大学
硕士
机械
郑秀婷;杨振洲
2023
中文
TN604
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）