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01
背景介绍
随着紧凑型电子设备功率密度的快速提升及空间限制日益严格，高热流散热成为关键需求，而散热胶带需同时满足 “高导热” 与 “电绝缘” 特性；现有材料困境：石墨烯 / 石墨膜：导热率高但导电→易导致 PCB 短路；聚合物复合胶带：绝缘性好，但厚度超 200μm 时，面内导热率（κₗₗ）普遍 <70 W/mk（即使填料含量> 90wt%）；根源：绝缘填料（如 Al₂O₃：38-42 W/mk）本征导热率低，且填料 – 填料、无机 – 有机界面热阻显著。亟需兼具高导热性与电绝缘性的散热胶带。然而当厚度超过200微米时，现有先进胶带的面内导热系数（κ//）仍低于70 W/m·K，难以满足高热量密度设备的散热需求。
02
成果掠影
近日，上海交大黄兴溢教授、史坤明研究员团队开发了多层高导热电绝缘胶带（MTCEIT）。该胶带通过将石墨烯纸（高导热核心）夹在氮化硼纳米片（BNNS）填充的 PBCOEA 胶层间，并与氮化硼（h-BN）薄片填充的硅橡胶（SR）复合背衬层串联构成；在厚度≈300 μm 时，其面内导热率达 121.22 W/mk，同时保持 5.07×10¹¹ Ω・cm 的体积电阻率和 36.9 kV/mm 的 Weibull 特征击穿强度。实际应用中，MTCEIT 可使薄笔记本电脑中央处理器温度降低9℃，并让无强制冷却的超薄手机视频帧率波动≤0.1 fps，为紧凑电子设备的高热流散热提供了创新解决方案。研究成果“Graphene Paper-Based Multilayer Thermally ConductiveTapes with Exceptional Electrical Insulation for High Heat Flux Dissipation”为题发表在《Advanced Functional Materials》
03
图文导读
图1：MTCEIT 的设计。a) 带有 MTCEIT 的紧凑型电子设备散热系统示意图。b) 有限元模拟中不同结构胶带在稳定状态下的表面温度分布。有限元模拟中热源的最大平衡温度与 c) 各层厚度比例、d) 粘合层的 κ// 和 κ⊥、e) 粘合层与超高 κ// 层 (Radh-ultrahigh-κ//) 之间以及粘合层与背衬层 (Radh-backing) 之间的热接触阻有关。
图2：MTCEIT 的结构和机械性能。a) MTCEIT 和商用石墨烯纸的光学图像。b) MTCEIT 横截面和 c) 致密层间接触的 SEM 图像。d) MTCEIT 的 EDS 光谱和 e) XRD 图案。f) 弯曲和 g) 形状的 MTCEIT。h) MTCEIT 的拉伸应力-应变曲线。
图3：MTCEITs 的热传导和电绝缘。a) κ// 测量示意图。图中标记了底部孔的直径 (Φ)、盖子上不连续圆环孔的内外径 (Φ1 和 Φ2) 以及样品直径 (Φsam)。b) 厚度约为 300 µm 的 MTCEITs 的 κ//。c) 不同电绝缘膜的 κ// 和厚度比较。d) 石墨烯层和各种基底之间的 Rtotal。e) 体积电阻率和 f) MTCEITs 的击穿强度。 g) 70BN/SR（410 µm 厚，κ// = 3.82 W m⁻¹ K⁻¹，κ⊥ = 1.35 W m⁻¹ K⁻¹）、商用高κ//复合薄膜（30 µm 厚，κ// = 50 W m⁻¹ K⁻¹）及其粘合层（108 µm 厚，κ⊥ = 0.23 W m⁻¹ K⁻¹）和热板上的 MTCEIT（285 µm 厚，κ// = 121.22 W m⁻¹ K⁻¹，κ⊥ = 1.33 W m⁻¹ K⁻¹）的光学图像和红外热图像。
图4：薄型笔记本电脑的散热。a) 笔记本电脑主板的光学图像。MTCEIT 的尺寸为 130 毫米 × 60 毫米。b) 简化 CPU 散热系统示意图。c) 笔记本电脑的红外热像。d) 温度变化和 e) CPU 在 1200 秒时的温度。(d) 中的插图显示了被测笔记本电脑的光学图像。所有测试均在正常工作条件下进行。温度由 CPU 内置传感器测量，并通过 AIDA64 Extreme 软件监控。
图5：无强制冷却的超薄智能手机的散热。a) 智能手机示意图。b) 带有 MTCEIT（50 毫米 × 30 毫米）的智能手机背面的光学图像。取下后盖进行成像。c) 智能手机的红外热像。d) SoC 温度变化。插图显示了被测智能手机的光学图像。e) SoC 在应力循环下的温度变化。f) 播放测试期间 UHD 视频的帧速率。(d)、(e) 和 (f) 中的所有测试均在正常工作环境下进行。(d) 和 (e) 中的温度是使用 SoC 中的内置传感器测量的，并通过 ANTUTU Benchmark 软件读取。(f) 中的帧速率由 3Dmark 记录。
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