电子器件“智能出汗”解决自身散热问题

随着半导体技术的发展，各式各样的半导体功能器件（包括计算芯片、LED、太阳能电池等）在能源、信息等领域发挥越来越重要的作用，但由于效率的限制，这些高能量密度器件所消耗的大部分的能量通常最终转化为了热能，这些热能如果不能及时散掉，就会造成器件温度快速升高。而半导体器件PN结性质对温度十分敏感，高温不仅影响器件工作性能和稳定性，也会带来安全性和使用寿命的问题，如图1所示。因此，散热成为现代电子器件的核心问题之一。

图1. 温度对半导体器件的影响示意图

现有散热技术主要有被动式和主动式两种。主动式散热（包括风冷和水冷）通常结构复杂，能耗高，因此在越来越普及的小型化电子设备（如智能手机、VR眼镜等）上难以应用。被动式散热技术普遍散热能力较低，又难以满足电子设备的散热需求。针对这一问题，武汉大学刘抗研究员、胡雪蛟教授联合加州大学洛杉矶分校陈俊教授设计开发一种简单通用、有效的、低成本的被动式水凝胶薄膜散热技术，利用的关键材料是一种富含锂离子和溴离子的聚丙烯酰胺水凝胶薄膜。

图2. Li-PAAm水凝胶的结构设计和表征

如图2所示，该水凝胶薄膜具有较好的机械性能和高的含水量。同时该水凝胶薄膜具有两个重要的热学性质。一是在环境条件下可以很好的保持自身水量，克服了传统水凝胶在环境条件下使用会持续失水变干的问题。二是当温度升高时，该水凝胶薄膜会蒸发失去一部分水量，但当温度降下来的时候，水凝胶薄膜又会从空气中吸收水蒸气使自己回复到初始状态，如图3所示。吸失水的性质与水凝胶内部离子浓度相关。

依靠这一性质可以实现电子器件“智能出汗”：将该薄膜覆盖于发热的电子器件，薄膜内部水分会快速的蒸发并迅速带走热量，有效降低半导体器件温度，像人体出汗机制一样，提升器件的能量效率；而当电子器件不工作时，该薄膜又可自发从四周环境中吸收水蒸气，补充自身水分，回复初始状态。这一散热设计将主动式散热的散热能力和被动式的简单结构集成于一片凝胶薄膜，为未来电子设计提供一种全新的散热思路。

图3. Li-PAAm水凝胶的蒸发与环境吸水性能

为了验证该思路的实用性，将一块0.5 mm厚的水凝胶贴于一块手机模拟芯片（图4），可使得芯片正常工作温度降低15.2 °C，固定温度下手机芯片最大使用功率提高45%。将该水凝胶薄膜贴于一片商用硅太阳能电池板下方，一个太阳光下可降低电池板温度13-17℃，将太阳能电池效率从14.5%提高到15.5%，展示了该方案在半导体行业及电子设计领域的前景。

图4. Li-PAAm水凝胶在手机芯片散热中的应用展示

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，第一作者为武汉大学博士研究生蒲诗睿。

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Promoting energy efficiency via a self-adaptive evaporative cooling hydrogel

Shirui Pu, Jia Fu, Yutian Liao, Lurong Ge, Yihao Zhou, Songlin Zhang, Shenlong Zhao, Xiaowei Liu, Xuejiao Hu, Kang Liu, Jun Chen

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201907307