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D先生 王先生 T先生
热设计网 陈继良先生
中国赛宝实验室 张莹洁女士
给予本文的专业意见
在上一篇的《碳纳米管or石墨烯，当红“碳基”导热垫片如何选？》中，我们让同为“碳基”体系的石墨烯与碳纳米管导热垫片来了一轮热性能的PK，结果石墨烯垫片无论是导热率还是总热阻都取得了比较领先的优势。
不过既然二者的目标客户都是价值不菲的高性能芯片，那么除了热性能之外，他们在可靠性方面的表现肯定更加重要。所以在接下来的内容里，我们将重点关注两款“碳基”TIM材料在芯片翘曲、湿热环境、持续高温这几类比较典型的可靠性测试中的表现。
那么在本篇，就让我们先来从石墨烯导热垫片入手，看一下它在面对芯片翘曲的场景时会出现什么状况吧。
01—芯片翘曲
表面上看芯片翘曲对TIM材料只有一个简单的挤压动作，但是如果从受力分析的角度来看，这个“挤压”其实可以分解为完全不同的两个作用力——
一个是指向TIM内部的“法向压缩力”，另一个则是作用在表面的“面内摩擦力”，这两个力对于导热硅脂之类的液态TIM可谓存在着先天的血脉压制。
（Reliability Characterization of GrapheneEnhanced Thermal Interface Material for Electronics Cooling Applications_Markus Enmark）
因为导热硅脂是流体，内聚力极其微弱，法向压缩力很轻易就能转化成横向的剪切力，再加上横向摩擦力的推波助澜，所以随着时间的推移，最终硅脂往往都难逃被一点点“泵出”热界面的宿命。
（Beyond Thermal Grease:Enhancing Thermal Performance and Reliability_Dr. Sanjay Misra）
照理说让导热硅脂头疼的“芯片翘曲”到了导热垫片这里应该就不再是问题了，因为固体垫片的内聚力足够强，即便受到芯片的反复翘曲挤压，也不至于向硅脂那样被挤出热界面。
但是现在导热垫片是“石墨烯”体系的，事情就变得微妙起来了——
首先，它不是主流导热垫片那种“整片”的橡胶垫，而是一种类似于千层饼状态的拼接结构。具体来说，就是将一层层的石墨烯膜用一层层的PDMS硅胶交叠着“粘接”而成。
考虑到石墨材料本身就很难粘，再加上胶线的宽度往往只有0.2～0.3mm，所以单从粘接界面上也能看出它的机械强度赶不上传统的导热垫片。
（Effect of bonding pressure on thermal performance of graphene-enhanced thermal interface materials for immersion cooling applications_Kristoffer Harr）
其次，在垫片当中唱主角的石墨烯膜的微观结构也让人不太放心。
因为石墨烯膜的前身是氧化石墨烯膜，在经过高温处理后，氧化石墨烯膜内部的含氧官能团会分解为气体急剧膨胀的，然后将原本紧紧贴在一起的石墨烯片层给“撑大”60倍的距离，形成一种充满褶皱的疏松结构。
这种结构注定石墨烯片层之间本来就不大的范德华力会变得更加微弱，甚至有论文记载，此时只需要0.1MPa的剪切力就能触发石墨烯片层间的滑移。
（Highly Thermally Conductive andFlexible Thermal Interface Materials with Aligned Graphene Lamella Frameworks_Kun Huang）
也就是说，石墨烯导热垫片这种热界面材料，无论是整体的结构强度还是微观的力学性能在理论上都是比较“脆皮”的。
难怪之前在B站上有数码博主对石墨烯导热垫片进行测评，结果只是因为操作手法略微粗糙，那块垫片就毫不客气地裂开了……
(Bibibili@极评测老高)
这就不免让人担心，如此“脆皮”的石墨烯导热垫，在面对芯片翘曲衍生出的法向压缩力和面内摩擦力之时，真的还能够安然无恙吗？
02—芯片翘曲：法向压缩力
先上结论：40psi时很安全，120psi时没失效。
这次参与测试的石墨烯导热垫片长宽35mm×35mm，初始厚度0.2mm。
研究人员在20℃环境温度下对样件分别施加40psi和120psi两种载荷，每个循环完整经历加压→保压→释放→归零四个阶段，累计循环5000次。
40psi是典型的装配压力，而120psi则可以当做是翘曲产生的局部高压来看。
(Reliability of Graphene Enhanced Thermal Interface Material under mechanical cycling_Kurban Yasin)
经过5000次循环后，40psi组的厚度从206μm微减至194μm，降幅约5.8%。这个变化幅度很小，垫片基本维持了原有的弹性结构；
而120psi组的变化就陡峭得多了——厚度从206μm骤减至100μm，大降51%。可以认为在较高压力的反复蹂躏下，垫片内部原本疏松的石墨烯片层发生了一定程度的坍塌，从发糕不可逆地被压成了死面馒头……
(Reliability of Graphene Enhanced Thermal Interface Material under mechanical cycling_Kurban Yasin)
而内部结构的变化肯定会反应在热阻上。
首先来看40psi组的数据，热阻呈现出四平八稳的姿态，随着循环次数的增加，甚至还能看到微幅下降的苗头。
这是因为循环中恰到好处的压缩力不仅没有改变垫片的主体结构，反而随着测试的进行，垫片的表面也被压得越来越平整，结果就是热阻呈现出这种稳中有降的良好状态。
但是120psi组的情况就没这么乐观了。它的热阻相较于初始值上升了约40%。
鉴于它的厚度已经被压得砍半了，那么我们有理由相信是因为过大的压力破坏了某些原本垂直取向的导热通路，再加上回弹性的丧失也会让界面热阻升高，所以总热阻自然就要往上走了。
(Reliability of Graphene Enhanced Thermal Interface Material under mechanical cycling_Kurban Yasin)
不过就在以为石墨烯垫片已经在120psi的压力下“阵亡”的时候，我们又从拉伸强度测试中发现了一些耐人寻味的变化——
虽然120psi组垫片的内部结构已经在压缩力的作用下出现了坍塌，但显然没有溃散。因为其拉伸强度不仅没有降低，反而大幅上涨了220%！
针对这个情况，研究人员用了“结构致密化”这个很妙的词来形容。也就是说，垫片的结构虽然发生了变化，但完整性并没有受到影响。
即便在压缩力的摧残下它的热阻上升了40%，但至少没有开裂、没有分层，我们最担心的“脆皮”问题没有发生。
(Reliability of Graphene Enhanced Thermal Interface Material under mechanical cycling_Kurban Yasin)
当然此处要叠个甲，以上毕竟都间接的等效测试，肯定没办法100%还原真实的芯片翘曲场景。
不过从中我们还是能发现，石墨烯导热垫片并没有看上去的那么“脆皮”，虽然论机械强度肯定比不过传统的导热垫片，但是在作为一种立志解决导热硅脂“泵出”问题的超低热阻TIM材料，它的表现还是可圈可点的。
03—芯片翘曲：面内摩擦力
还是先上结论：“掉渣”有可能，解决有思路。
此处所谓的“掉渣”，就是让所有“碳基”TIM都非常头疼的含碳碎屑脱落问题。因为本身具有一定的导电性，所以当这些碎屑迁移到引脚或电路区域就有可能造成元器件的短路。
而“掉渣”的很重要的一个诱因，就是受到了包括芯片翘曲在内的诸多场景下的摩擦力的作用。
为了量化研究这个问题，研究者设计了一套磨损测试装置——
他们将厚度0.2mm的圆形石墨烯垫片压在标准A4纸上，分别施加1.75psi和4.35psi两种法向压力，然后以恒定速度拖拽；每个垫片各拖拽摩擦4次，通过观察纸张上的残留物痕迹来评估垫片在遭遇剪切摩擦时是否会持续“掉渣”。
很快，有关石墨烯垫片的磨损，一个清晰的规律就浮现出来了。
(Abrasion of Graphene-Enhanced Thermal Interface Materials for Electronics Thermal Management Applications_Kristoffer Harr)
在1.75psi压力下，首次拖拽产生了明显的残留痕迹，但是在随后的摩擦中，痕迹的可见度逐次递减，当拖拽到第三次时，已几乎观察不到新的残留了。
这说明此时的磨损是“自限性”的：最开始，垫片表面的凸起受到摩擦并脱落；随后，脱落的石墨碎片形成润滑层，磨损停止。
(Abrasion of Graphene-Enhanced Thermal Interface Materials for Electronics Thermal Management Applications_Kristoffer Harr)
而在4.35psi压力下，四次摩擦都产生了清晰且连续的残留物线条，衰减迹象不明显。
这是因为在较大压力下，界面摩擦力突破了临界值，虽然脱落的碎屑也有润滑效应，但是已不足以抵消摩擦力的影响。
表面的石墨烯片层被源源不断地磨掉，磨损从自限性变成了持续发生。
(Abrasion of Graphene-Enhanced Thermal Interface Materials for Electronics Thermal Management Applications_Kristoffer Harr)
当我们把两个压力下第四次拖拽时的摩擦力曲线放到一起观察，就能更加清晰地看出其中的规律：
1.75psi下的摩擦力曲线平坦稳定、甚至出现了下降的趋势。维这说明经前三次磨损后表面已抛光且石墨烯碎片形成了润滑层，滑动阻力恒定；
而4.35psi下的摩擦力曲线一路走高，且伴随锯齿状尖峰。这是说明先是有更大粒径的石墨烯颗粒脱落，随后被碾碎，摩擦力也跟着回落，然后下一个颗粒脱落……
也就是说，石墨烯垫片是否会被磨得“掉渣”，其实存在一个摩擦力阈值，低于此阈值时磨损可自我抑制，高于此阈值则磨损持续发生。
(Abrasion of Graphene-Enhanced Thermal Interface Materials for Electronics Thermal Management Applications_Kristoffer Harr)
不过毕竟A4纸要比光滑的芯片表面粗糙太多，这个实验肯定无法有效模拟芯片翘曲场景下的摩擦力。只希望通过这个研究思路，能够给到业内专家们一些启发，来评估石墨烯导热垫片在芯片翘曲场景中的“掉渣”风险究竟几何。
至此，我们走马观花地分析了石墨烯导热垫在芯片翘曲场景下的可靠性表现。
还是那句话，毕竟这些都只是等效间接的测试，而非真实场景下的一手数据，所以权当一种参考，以期对石墨烯导热垫片这个当前炙手可热的TIM新星，建立一个定性认知吧！
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