导热率高达100 W / mK，业界第一款柔性碳纳米管粘合片开发成功！

提要

1、富士通实验室有限公司开发了具有极高导热率的碳纳米管技术；

2、与以前的技术不同，碳纳米管粘合片具有柔韧性，易于切割和处理，可用于各种表面的散热；

3、有望在电动汽车（EV）的功率模块中得到应用，为动力模块带来更先进的热界面材料并具有成本效应。

2020年4月17日，日本川崎 ，富士通实验室有限公司宣布开发出世界上第一块由碳纳米管组成的粘合片，该粘合片具有高达100 W / mK的导热率。

碳纳米管具有很高的热导率，是一种很有前途的应用于包括半导体器件在内的散热材料。然而，由于碳纳米管的易碎性，造成其难以加工处理，在许多方面的应用都不切实际。为解决这一问题，富士通开发了一种垂直排列的碳纳米管层压技术，在保持其高导热性和柔韧性的同时，提供一种以足够的附着力将其粘合的技术。这项技术有助于碳纳米管片材的切割和处理，使其有望成为一种散热材料，并可能应用在电动汽车（EVs）的功率模块中。

图：碳纳米管粘合片的内部结构

富士通的目标是将其新开发的碳纳米管贴合片的使用许可证授权给材料和电气行业的公司，并将继续支持其在各种商业应用中的开发。

背景与发展

随着全球温室气体管制工作的加速，电动汽车正越来越多地投入实际使用。尽管如此，事实上，电动汽车比汽油车更贵，而且行驶里程偏小，这仍然阻碍了电动汽车的普及。

近年来，为了提高性价比和行驶里程，人们致力于开发使用碳化硅或氮化镓作为替代材料的半导体器件，以减少电动汽车功率模块的尺寸、重量、功耗和成本。然而，为了实现这一点，必须解决因模块小型化而引起的半导体器件热量堆积，必须重新设计模块的散热材料和键合材料等组件，以达到前所未有的低热阻和高热导率水平。

挑战性

碳纳米管是一种由碳原子制成的纳米材料，其导热系数约为铜的10倍。这种材料的一个潜在用途是用作散热片，用于从半导体器件等热源散热。2017年，富士通公司利用碳纳米管开发了一种高导热板，但为了保持板形，该板在2000℃或更高的超高温下烧结成型，导致材料不柔韧。硬质片材可以贴合在扁平材料上，但不适合将外形不规则的热源材料表面连接在一起，这限制了硬质导热板的使用。

此外，在半导体器件周围需要热可靠性的区域，有必要通过由碳纳米管组成的散热片将半导体器件和散热模组连接起来，以便控制器件工作前后温差引起的形态变化。一般来说，碳纳米管导热片是通过将碳纳米管混合到树脂或橡胶之类的粘性材料中形成薄片而制成的。然而，由于这些黏性材料具有较低的热导率，因此碳纳米管混合材料很难达到足够高的热导率。

技术特性

富士通公司开发出世界上第一种碳纳米管粘合片，即使包括界面电阻，其热导率也高达100w/mK，其技术特点如下：

1、薄板层压技术

富士通公司开发了一种技术，在保持碳纳米管垂直排列的同时，对其进行层压。层压层由保护片和粘合层两层组成，并且具有层压结构，其中层压层保护碳纳米管的顶部和底部。碳纳米管很难用作散热材料，因为它们的结构形状很容易被破坏。然而，这项技术用层压层保护碳纳米管，使其形状稳定，让切割和加工处理变得更容易，这在传统技术中是困难的。

图1：碳纳米管粘合片的内部结构

2、高导热片材粘接技术

构成层压板的粘合层由几微米厚的聚合物制成，但即便是少量的树脂也会产生较大的热阻，所以要同时达到粘附性和导热性，就必须解决聚合物使用问题。因此，通过优化碳纳米管的密度、树脂的类型和厚度以及键合条件等三个或三个以上的相关参数，利用碳纳米管与经过多年积累的树脂界面热阻的知识，富士通在保持碳纳米管键合的同时充分的粘合性能而不损害热导率。

优势

包括界面电阻在内的测量值对比，富士通新开发的碳纳米管粘合片的导热率是传统铟散热材料（被称为高导热率材料）的导热率的三倍。

由于该薄片由粘合剂和保护层层压而成，因此可以轻松切割和加工处理，并可用于需要粘合的应用（图2）。

这些技术使碳纳米管作为能实际应用的散热材料成为可能，其应用方向包括了电动汽车的功率模块。

图2：碳纳米管粘合片

未来计划

未来，富士通实验室将向材料和电气行业的公司发放碳纳米管粘合片技术使用许可证，并将继续支持其商业化和实际应用。

关于富士通实验室

未来，富士通实验室将向材料和电气行业的公司发放碳纳米管粘合片的技术使用许可证。富士通实验室有限公司成立于1968年，是富士通有限公司的全资子公司，是世界一流的研究中心之一。该公司在日本、中国、美国和欧洲建立了全球实验室网络，在下一代服务、计算机服务器、网络、电子设备和先进材料等领域开展广泛的基础研究和应用研究。更多信息，请访问：http : //www.fujitsu.com/jp/group/labs/zh/。

来源：富士通实验室

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