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美国斯坦福大学纳米热实验室散热研究方向和成果概述

美国斯坦福大学机械工程学院院长Kenneth Goodson教授在2018年5月9日SEMI HQ的MEPTEC/IMAPS午餐上介绍了斯坦福大学在热材料领域的研究。

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Kenneth Goodson


背景

具备高导热能力的高密度材料在自然界大量存在,如铜、金刚石和硅,具备低导热能力的多孔材料同样也广泛存在于自然界中,或者容易被制造,如聚酰亚胺、各种多孔干凝胶。但高密度材料也可以是热绝缘体,多孔材料也可以是热的良导体,这部分即是斯坦福大学机械工程学院研究人员非常感兴趣的课题和研究内容。


研究领域

Goodson的纳米热(NanoHeat)实验室重点研究电子纳米结构&封装中的热传递、微流体热沉、热电和光电能量转换器件,聚焦于其中的基础运输物理机制。同时,正如W. Edwards Deming所说,“如果你无法测量它,你将无法控制它”,纳米热实验室还研究如何为热计量提供更好测试设备和技术,包括观察和测量微米&纳米传导和转换。


已有成果

目前,实验室已经取得的突破有,突破性散热片、微流体热沉、热电废热回收、电池微充电。半导体、能源和汽车企业对这些研究成果感兴趣,如Intel、Google、AD、IBM、博世、雷声、东京电子等,以解决服务器应用、消费电子产品、车辆和国防系统中的热问题。


研究核心

据Goodson教授所说,超材料的材料和结构被工程化处理后可具备自然界不存在的特性。超材料来源于在目标尺寸维度之下堆状或片状重复单元的层叠,以此产生电磁、光电和声音信号的独特交互效果,或按设想制造出高密度、多孔性和热传导的独特组合体。

 

石墨烯

Goodson教授说,石墨烯是超材料的一个例子,具有高密度,但实际上并不导热,因此可有效地部署在如下这样应用中,如“石墨烯作为隔热层的高能效相变存储器”(斯坦福大学和三星,《纳米快讯》,2015)

 

多孔材料

Goodson教授说,但吸引眼球的工作,至少对我而言,是另一方向——能够有效传导热的多孔材料。通常的金属反蛋白石,更确切的是铜反蛋白石(“金属反蛋白石中的准弹道电子热传导”,斯坦福大学和伊利诺伊大学,《纳米快讯》,2016),是低物理密度和高导热能力特殊组合的超材料,可作为基于微流体散热结构的热沉,用于高频率雷达、可再生能源、电动车、高性能计算等大功率/大功率密度应用。(可进一步参考“来自激光刻蚀金刚石和共形片状制造的微多孔铜的极端两阶冷却”,《先进功能材料》,2017)。

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金刚石和蛋白石是皇后古老财富的一部分,但石墨烯、铜反蛋白石、热材料也是财宝,他们在对散热需求迫切的应用中拓展了斯坦福在高性能热交换器上的长期传统研究,该研究可以追溯回Kays和London以及Tuckerman和Pease在20世纪80年代开展的工作。

 

其他

斯坦福大学在纳米结构双层铜和相位分离微流体室上的研究帮助GaN基HEMT雷达电子和毫米波半导体激光器能够处理超过30kW/cm2的局部功率密度,可以用作苹果G5工作站中的热沉。

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