ATE：热界面材料综述

论文信息：

Narinder Kaur, Thermal Interface materials for efficient heat management in electronics, Applied Thermal Engineering 287 (2026) 129415.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.129415

Part.1

研究背景

随着微电子器件向小型化、高性能化快速迭代，消费电子、高性能计算、电动汽车及 5G/6G 通信等领域的功率密度持续攀升，导致材料界面处发热量激增，热流密度甚至突破数百 W/cm²，形成严重热瓶颈，直接制约电子系统的性能发挥、运行可靠性及使用寿命；传统热界面材料（如润滑脂、相变材料、普通胶带）在极端功率密度、大温度梯度及长期运行工况下，逐渐暴露出热导率不足、力学顺应性差、环境稳定性弱等短板，而碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）功率模块及电动汽车电池系统等新兴器件，对热界面材料的苛刻工况适应能力（如抗热循环、耐氧化、防泄漏）提出了更高要求，研究方向也已从简单填充型复合材料转向金属网络、垂直排列纳米结构、液态金属通路等工程化材料。在此背景下，本文系统综述了热界面材料的技术发展现状，涵盖热润滑脂、相变材料、热胶带、金属基、陶瓷基及纳米材料增强复合材料等主要类别，深入分析了各类材料的热导率、热阻、力学性能等核心特征及优缺点，重点探讨了碳纳米管、石墨烯、纳米纤维素等纳米材料在提升热性能方面的最新进展，并明确了界面接触热阻优化、混合复合结构设计、环保材料开发等关键方向，其研究意义在于为下一代微电子和功率系统的热管理提供全面、系统的技术参考，助力突破热管理瓶颈，推动高效、可靠、可持续的热界面材料创新与工业化应用，为新兴电子技术的性能升级奠定基础。

Part.2

研究内容

本文围绕电子设备高效热管理用热界面材料（TIMs）展开系统性研究，首先深入剖析了微电子器件热管理的核心痛点与热界面材料的作用机制。随着器件小型化、高性能化发展，功率密度激增导致热流密度突破数百 W/cm²，传统材料难以满足散热需求。如图 1 所示，该图通过电子设备热管理示意图、热阻网络及热界面材料分子模型，清晰呈现了热界面材料在芯片与散热器之间的 “搭桥” 作用 —— 通过填充界面微小空隙，降低空气间隙导致的高热阻，确保热量高效传导，这为后续材料性能评估奠定了理论基础。

图 1 (a) 电子设备热管理示意图；(b) 热阻网络；(c) 热界面材料（TIM）的分子模型（以聚合物基热界面材料为代表）。

在此基础上，论文对热界面材料进行了全面分类与性能对比，涵盖热润滑脂、相变材料、热胶带、金属基、陶瓷基及纳米材料增强复合材料等主要类型。如图 2 所示，该图通过有无热界面材料的散热示意图对比，直观展示了不同类型材料的散热效果：热润滑脂凭借良好的表面润湿性填充空隙，但存在干涸风险；相变材料通过固 - 液相变实现热缓冲，却需纳米颗粒改性提升导热率；热胶带则以便捷性著称，但导热性能中等。同时，如图 3 所示，该图呈现了热界面材料的制备过程、原理及相变热界面材料（PCTIMs）填充粗糙表面的效果，证实这类材料可通过适配表面粗糙度进一步降低接触热阻，为不同应用场景的材料选型提供了可视化依据。

图 2 促进电子设备散热的热界面材料示意图。

图 3 材料制备 (b) 材料制备原理 (c) 相变热界面材料（PCTIMs）填充粗糙表面以降低接触热阻。

论文还聚焦先进纳米材料与复合结构的创新研发，重点探讨了碳纳米管（CNTs）、石墨烯、纳米纤维素等纳米材料的改性潜力。如图 4 所示，该图展示了多种先进热界面材料的制备方法及对应结构，包括石墨烯基复合材料、碳化硅纳米棒修饰材料、银纳米颗粒复合纳米纤维素等，揭示了通过特定制备工艺（如过滤、退火、压缩）构建连续导热通路的关键思路。研究通过实验验证，纳米填充剂可显著提升传统材料的热导率 —— 例如 3% 碳纳米管可使石蜡导热率提升 30%，石墨烯基材料热导率可达 5-20 W/(m・K)，这些数据与图 4 中的结构表征相互印证，为高性能热界面材料的设计提供了具体技术路径。

图 4 热界面材料的制备方法及对应结构。

最后，论文明确了热界面材料的核心性能指标与选择标准，并展望了未来研究方向。基于热导率、热阻、力学顺应性、耐久性等关键特征，建立了适配不同应用场景的选型体系；同时提出，未来需通过界面工程、混合复合结构设计、环保材料开发等方式，解决传统材料的性能瓶颈。这些研究内容既涵盖了基础机理与材料分类，又聚焦于先进技术与实际应用，为下一代微电子设备的热管理提供了全面、系统的技术支撑。

Part.3

研究总结

该论文围绕电子设备高效热管理用热界面材料（TIMs）展开系统性研究，聚焦器件小型化与高性能化带来的热瓶颈问题，系统梳理了热润滑脂、相变材料、热胶带、金属基、陶瓷基及纳米材料增强复合材料等主流 TIMs 的分类、制备工艺、核心性能（如热导率、热阻、力学特性）与应用场景，深入分析了各类材料的优势与局限（如传统材料易干涸、导热不足，纳米材料需解决分散与界面耦合问题）；重点探讨了碳纳米管、石墨烯、纳米纤维素、石蜡基复合材料等纳米材料在提升 TIMs 热导率与力学性能方面的最新进展，揭示了界面工程、混合复合结构设计、填料取向调控等关键优化策略；同时明确了 TIMs 的核心选择标准，包括热导率、热阻、机械兼容性、耐久性、环境适应性等，并展望了二维材料、金刚石基复合材料、直接键合技术及环保可持续材料等前沿发展方向，为下一代微电子和功率系统的热管理提供了全面、系统的技术参考与创新指引。

Thermal Interface materials forefficient heat management in electronics.pdf

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