【科研進展】南方科技大學深港微電子學院朱桂妹團隊制備兼具220.2?W/m·K高熱導率與超低界面熱阻的熱界面材料

導讀

近日，南方科技大學深港微電子學院朱桂妹團隊制備了一種三明治結構的熱界面材料（TIM），這種材料不僅有220.2 W/m·K的高熱導率，還具有超低的界面熱阻0.09 cm2·K/W（100 psi壓力下）。

隨著人工智能、高性能計算和功率電子技術快速發展，芯片越來越“聰明”，也越來越“熱”。很多時候，限制器件性能的已經不只是算力本身，而是能不能把熱及時、穩定地導出去。該團隊充分利用石墨膜的高面內熱導率，通過放電等離子燒結與垂直切割工藝，將石墨片垂直嵌入銦基體中，制備出銦/垂直石墨復合材料（InVGr）。在此基礎上，利用In51%Bi32.5%Sn16.5%液態金屬（InBiSn）對銦表面的良好潤濕性和結合能力，在InVGr上下表面引入液態金屬層，構建了LM/InVGr/LM三明治結構，從而增強材料對界面微間隙的填充能力并改善界面接觸。該工作不僅關注材料本體導熱率，還進一步針對實際應用中的關鍵瓶頸—界面接觸熱阻進行了專門優化。

結果表明，InVGr復合材料的面外熱導率達到220.2 W/m·K，超過多數已報道的垂直取向碳基TIM。進一步引入液態金屬層后，LM/InVGr/LM憑借固–液協同界面接觸實現了更低的熱阻，其總熱阻低至0.19 cm2·K/W；在100 psi壓力下，接觸熱阻由未改性InVGr的0.14 cm2·K/W降至0.09 cm2·K/W。實際散熱測試進一步顯示，LM/InVGr/LM作為TIM時的散熱效率分別為商業硅膠導熱墊（SF 600G，8 W/m·K）和碳纖維墊的3.15倍和2.5倍。

以上結果說明，該三明治結構TIM兼具高效面外導熱通路和優異界面傳熱能力，在現代高功率電子器件冷卻領域具有良好的應用潛力。上述研究成果以“Surface-Modified InVGr as a Thermal Interface Material with High Thermal Conductivity and Low Contact Thermal Resistance”為題，在線發表于ACS Applied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.6c04094)。

工作重要性

這項研究的重要性，不僅在于開發出了一種性能優異的新型導熱界面材料，更在于它提供了一種新的熱管理設計思路。

過去，人們在提升散熱性能時，通常更關注材料成分、填料含量或制備工藝本身。而這項工作表明，除了材料“是什么”之外，材料“怎樣與界面接觸”同樣決定最終散熱效果。也就是說，在高功率器件熱管理中，界面不再只是一個被動連接層，而可以通過結構與表面設計，變成決定性能上限的關鍵環節。

從更廣的角度看，這種“兼顧本體導熱與界面優化”的思路，對于先進封裝、芯片散熱、功率器件熱管理等領域都具有啟發意義。它提示我們，下一代高性能熱界面材料的競爭，可能不只是材料熱導率的競爭，更是界面工程能力的競爭。

應用前景：高功率電子器件

如果這種材料體系能夠進一步走向工程化，它有望在多個高熱流密度場景中展現價值。

首先是在 AI 芯片和高性能計算 領域。隨著算力不斷提升，封裝內部熱量快速積累，高性能導熱界面材料將直接關系到芯片可靠性、頻率穩定性和壽命。其次是在 功率半導體 領域，例如電源模塊、電驅系統和高功率轉換器件，對低熱阻散熱路徑的需求同樣十分迫切。

此外，這類材料在先進電子封裝、通信設備、服務器以及其他高功率密度電子系統中，也都具備較好的應用潛力。尤其在熱管理逐漸成為系統性能瓶頸的背景下，能夠同時兼顧高導熱、低接觸熱阻和實際散熱效果的新型導熱界面材料，可能成為未來電子器件散熱方案中的重要基礎材料。

正文導讀

1. 研究背景：為什么芯片散熱越來越重要

芯片集成度和功率密度不斷提高，運行過程中產生的熱量顯著增加。若散熱不及時，不僅會影響性能和壽命，還可能威脅器件的穩定性與安全性。在高功率電子系統中，真正決定散熱效率的，不只是散熱器本身，還包括發熱器件與散熱器之間那一層看似不起眼的導熱界面材料。它的作用，是填補兩側表面的微觀空隙，把原本導熱極差的空氣擠出去，讓熱量更順暢地傳遞。但問題在于，傳統聚合物基導熱界面材料通常存在兩個短板：一是熱導率有限，二是界面接觸熱阻較大。這意味著，即便材料本身能導熱，只要界面接觸不好，熱量仍然會“卡”在芯片和散熱器之間，影響整機散熱表現。熱界面材料作用是以較低的Heater/TIM/Heat sink 之間的總熱阻（RTotal）來替代熱源和熱沉之間較高的直接接觸熱阻（如圖1所示）。

圖1. 熱界面材料（TIM）在芯片（加熱器）與散熱器之間降低界面熱阻的作用示意圖

2. 具體工作

該研究團隊針對高功率電子器件熱管理中導熱界面材料（TIM）面臨的“本體導熱率不足”與“界面接觸熱阻偏高”兩類關鍵問題，設計并制備了一種銦/垂直石墨復合導熱界面材料（InVGr），并進一步通過低熔點 InBiSn 液態金屬對其上下表面進行改性，構建了 LM/InVGr/LM 三明治式界面結構。研究表明，垂直取向且連續的石墨導熱通道能夠顯著提升材料的垂直方向導熱能力，而液態金屬層則通過填充界面微空隙、構建固-液導熱橋，有效改善了 TIM 與熱源/熱沉之間的界面接觸狀態，從而實現本體高導熱與低界面熱阻的協同優化（InVGr的制備及表面改性流程如圖2所示）。

圖2. InVGr復合材料的制備過程；步驟1：(a)條狀石墨片的制備；(b)石墨片與銦片交替堆疊結構；(c)堆疊銦/石墨材料的壓制與放電等離子燒結；(d)銦/石墨復合材料(InGr)；(e)通過垂直切割獲得InVGr；(f)石墨在銦基體中的取向排列結構；步驟2：(g)InVGr的表面改性；(h)使用和未使用LM/InVGr/LM作為熱界面材料(TIM)系統的示意對比

3. 重要研究成果

首先，研究在結構表征層面驗證了銦/垂直石墨復合材料（InVGr）中垂直導熱骨架的成功構筑。光學照片、表面與截面顯微圖像表明，石墨條端部在材料表面密集且均勻暴露，且石墨片在銦基體中沿厚度方向呈明顯垂直取向排列；表面粗糙度測試顯示，InVGr導熱墊平均表面粗糙度為0.51 μm。進一步結合SEM和EDS元素分析結果可以看出，垂直取向石墨片被銦基體穩定包圍并牢固嵌入其中，形成了均勻、連續且結構穩定的復合體系（圖3展示了InVGr的結構表征結果）。這些結果說明，研究所采用的制備方法能夠有效實現垂直石墨導熱通路在金屬基體中的構筑，為后續熱傳導性能提升奠定了結構基礎。

圖3. (a) InVGr光學照片；(b) 表面顯微圖像，可見垂直石墨條端面；(c) 截面顯微圖像，證實石墨垂直排列；(d) EDS元素譜，確認成分為In和C；(e) 表面SEM圖像；(f-h) EDS元素映射，顯示石墨均勻嵌入銦基體。

其次，InVGr復合材料表現出優異的面外導熱性能。激光閃射法測試結果表明，其室溫下面外熱導率達到220.2 W/m·K，相較純銦對應的熱導率增強率達到168.5%，顯示出顯著優于基體金屬的導熱能力。雖然隨著溫度由25 °C升高至90 °C，受銦中電子-聲子散射和石墨中聲子-聲子散射增強影響，材料熱導率有所下降，但在90 °C時仍可保持182.9 W/m·K的較高水平（圖4給出了InVGr的導熱性能測試結果）。與已有多數垂直結構碳基導熱界面材料相比，InVGr的導熱性能仍處于較領先水平，表明其能夠滿足高功率電子器件在典型工作溫度范圍內的散熱需求。

圖4. (a) 純銦與InVGr的熱導率、熱擴散率對比；(b) 25–90°C范圍內兩者的熱導率、熱擴散率隨溫度變化曲線；(c) InVGr與已報道垂直結構碳基TIM的熱導率對比，性能處于領先水平。

再次，有限元模擬與實際加熱實驗共同證明，InVGr具有更快的熱傳遞速率和更優的面外散熱能力（圖5給出了InVGr的有限元模擬結果與實際加熱實驗結果）。模擬結果顯示，相較純銦，InVGr內部熱量沿厚度方向傳輸更為迅速；紅外熱成像及升溫曲線進一步表明，在相同加熱條件下，InVGr不僅升溫更快，而且其表面溫度較純銦高5.4 °C。該結果說明，垂直取向石墨片在銦基體中形成的連續導熱網絡，能夠顯著促進熱量沿面外方向快速傳輸，從而提升材料整體熱擴散與散熱效率。

圖5. (a) 純銦與InVGr的有限元傳熱模擬，InVGr熱量傳輸更快；(b) 實際散熱測試裝置示意圖；(c) 紅外熱成像對比，InVGr表面溫度更高；(d) 升溫曲線顯示InVGr傳熱速率優于純銦。

此外，研究還表明，液態金屬表面改性能夠顯著降低InVGr的界面接觸熱阻，并進一步提高其實際導熱性能（圖6給出了不同樣品的熱阻測試結果）。測試結果顯示，在20–100 psi壓力范圍內，未改性的InVGr總熱阻始終低于純銦，并由0.62 cm2·K/W降至0.25 cm2·K/W；對應有效熱導率由24.2 W/m·K提高至59.5 W/m·K，說明垂直導熱通路已經能夠有效改善傳熱性能。然而，由于InVGr本身剛性較高、表面石墨分布不連續，其與熱源和散熱器之間仍存在較大的界面接觸熱阻。為此，研究進一步采用低熔點InBiSn液態金屬對材料上下表面進行改性，構建了LM/InVGr/LM夾層結構。改性后，材料總熱阻在20–100 psi范圍內進一步降至0.24–0.19 cm2·K/W，在100 psi下有效熱導率提高至92.3 W/m·K；接觸熱阻也顯著下降，在20 psi下由0.51 cm2·K/W降至0.13 cm2·K/W，在100 psi下由0.14 cm2·K/W降至0.09 cm2·K/W。上述結果表明，液態金屬能夠通過填充界面微間隙、構建界面熱橋，有效改善材料與接觸表面的貼合狀態，從而大幅降低界面熱阻。

圖6. (a) 熱阻測試原理示意圖；(b) 純銦與InVGr的總熱阻隨壓力變化曲線；(c) 兩者有效熱導率隨壓力變化曲線；(d) LM/InVGr/LM截面SEM圖像，可見LM層均勻覆蓋；(e) EDS元素映射證實LM層分布；(f) 表面改性前后總熱阻對比，改性后顯著降低；(g) 表面改性前后接觸熱阻對比，改性后降至0.09 cm2·K/W；(h) 商用硅膠墊的熱阻隨壓力變化曲線，性能遠低于LM/InVGr/LM。

最后，實際散熱測試進一步驗證了LM/InVGr/LM在器件級熱管理中的優異表現（圖7給出了不同樣品在實際工況下的散熱性能對比結果）。與商業硅膠導熱墊、碳纖維墊、未改性InVGr及液態金屬改性純銦相比，LM/InVGr/LM在12 W/cm2加熱功率下表現出最佳散熱性能：使用硅膠導熱墊和碳纖維墊時，加熱器溫度分別高達113.3 °C和98.9 °C，而使用InVGr、LM/In/LM和LM/InVGr/LM時，溫度分別降至70.2 °C、67.3 °C和55.5 °C，其中LM/InVGr/LM降溫效果最為顯著。在4–12 W/cm2不同加熱功率下，該材料始終能夠使熱源維持較低溫度，其等效傳熱系數達到0.41 W/m2·°C，分別為碳纖維墊和硅膠導熱墊的2.5倍和3.15倍。進一步的1000次加熱/冷卻循環測試結果顯示，在17 W/cm2加熱功率下，LM/InVGr/LM循環后溫度偏差僅為1.1 °C，且未觀察到明顯液態金屬泄漏，表明該材料不僅具備優異的散熱能力，同時還具有良好的熱循環穩定性和結構可靠性。

圖7. (a) 實際散熱測試系統示意圖；(b) 不同TIM對應的熱源溫度對比，LM/InVGr/LM降溫效果最顯著；(c) 不同加熱功率下的溫度曲線；(d) 等效傳熱系數對比，LM/InVGr/LM性能最優；(e) 1000次熱循環穩定性測試，溫度波動極小。

總體而言，這項研究成功構建了垂直取向石墨/銦復合導熱網絡，并通過液態金屬表面改性實現了本征高導熱與低界面熱阻的協同優化，最終獲得了兼具高面外熱導率、低接觸熱阻、優異實際散熱性能及良好循環穩定性的高性能導熱界面材料，為高功率電子器件熱管理提供了具有應用潛力的新方案。

論文信息：

論文題目：Surface-Modified InVGr as a Thermal Interface Material with High Thermal Conductivity and Low Contact Thermal Resistance

期刊：ACS Applied Materials & Interfaces

作者：Yisimayili Tuersun, Wenmei Luo, Junfeng Zhao, Baowen Li, Guimei Zhu*

發表時間：2026年6月

DOI：10.1021/acsami.6c04094

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