【科研进展】南方科技大学深港微电子学院朱桂妹团队制备兼具220.2 W/m·K高热导率与超低界面热阻的热界面材料

导读

近日，南方科技大学深港微电子学院朱桂妹团队制备了一种三明治结构的热界面材料（TIM），这种材料不仅有220.2 W/m·K的高热导率，还具有超低的界面热阻0.09 cm²·K/W（100 psi压力下）。

随着人工智能、高性能计算和功率电子技术快速发展，芯片越来越“聪明”，也越来越“热”。很多时候，限制器件性能的已经不只是算力本身，而是能不能把热及时、稳定地导出去。该团队充分利用石墨膜的高面内热导率，通过放电等离子烧结与垂直切割工艺，将石墨片垂直嵌入铟基体中，制备出铟/垂直石墨复合材料（InVGr）。在此基础上，利用In51%Bi32.5%Sn16.5%液态金属（InBiSn）对铟表面的良好润湿性和结合能力，在InVGr上下表面引入液态金属层，构建了LM/InVGr/LM三明治结构，从而增强材料对界面微间隙的填充能力并改善界面接触。该工作不仅关注材料本体导热率，还进一步针对实际应用中的关键瓶颈—界面接触热阻进行了专门优化。

结果表明，InVGr复合材料的面外热导率达到220.2 W/m·K，超过多数已报道的垂直取向碳基TIM。进一步引入液态金属层后，LM/InVGr/LM凭借固–液协同界面接触实现了更低的热阻，其总热阻低至0.19 cm²·K/W；在100 psi压力下，接触热阻由未改性InVGr的0.14 cm²·K/W降至0.09 cm²·K/W。实际散热测试进一步显示，LM/InVGr/LM作为TIM时的散热效率分别为商业硅胶导热垫（SF 600G，8 W/m·K）和碳纤维垫的3.15倍和2.5倍。

以上结果说明，该三明治结构TIM兼具高效面外导热通路和优异界面传热能力，在现代高功率电子器件冷却领域具有良好的应用潜力。上述研究成果以“Surface-Modified InVGr as a Thermal Interface Material with High Thermal Conductivity and Low Contact Thermal Resistance”为题，在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.6c04094)。

工作重要性

这项研究的重要性，不仅在于开发出了一种性能优异的新型导热界面材料，更在于它提供了一种新的热管理设计思路。

过去，人们在提升散热性能时，通常更关注材料成分、填料含量或制备工艺本身。而这项工作表明，除了材料“是什么”之外，材料“怎样与界面接触”同样决定最终散热效果。也就是说，在高功率器件热管理中，界面不再只是一个被动连接层，而可以通过结构与表面设计，变成决定性能上限的关键环节。

从更广的角度看，这种“兼顾本体导热与界面优化”的思路，对于先进封装、芯片散热、功率器件热管理等领域都具有启发意义。它提示我们，下一代高性能热界面材料的竞争，可能不只是材料热导率的竞争，更是界面工程能力的竞争。

应用前景：高功率电子器件

如果这种材料体系能够进一步走向工程化，它有望在多个高热流密度场景中展现价值。

首先是在 AI 芯片和高性能计算 领域。随着算力不断提升，封装内部热量快速积累，高性能导热界面材料将直接关系到芯片可靠性、频率稳定性和寿命。其次是在 功率半导体 领域，例如电源模块、电驱系统和高功率转换器件，对低热阻散热路径的需求同样十分迫切。

此外，这类材料在先进电子封装、通信设备、服务器以及其他高功率密度电子系统中，也都具备较好的应用潜力。尤其在热管理逐渐成为系统性能瓶颈的背景下，能够同时兼顾高导热、低接触热阻和实际散热效果的新型导热界面材料，可能成为未来电子器件散热方案中的重要基础材料。

正文导读

1. 研究背景：为什么芯片散热越来越重要

芯片集成度和功率密度不断提高，运行过程中产生的热量显著增加。若散热不及时，不仅会影响性能和寿命，还可能威胁器件的稳定性与安全性。在高功率电子系统中，真正决定散热效率的，不只是散热器本身，还包括发热器件与散热器之间那一层看似不起眼的导热界面材料。它的作用，是填补两侧表面的微观空隙，把原本导热极差的空气挤出去，让热量更顺畅地传递。但问题在于，传统聚合物基导热界面材料通常存在两个短板：一是热导率有限，二是界面接触热阻较大。这意味着，即便材料本身能导热，只要界面接触不好，热量仍然会“卡”在芯片和散热器之间，影响整机散热表现。热界面材料作用是以较低的Heater/TIM/Heat sink 之间的总热阻（RTotal）来替代热源和热沉之间较高的直接接触热阻（如图1所示）。

图1. 热界面材料（TIM）在芯片（加热器）与散热器之间降低界面热阻的作用示意图

2. 具体工作

该研究团队针对高功率电子器件热管理中导热界面材料（TIM）面临的“本体导热率不足”与“界面接触热阻偏高”两类关键问题，设计并制备了一种铟/垂直石墨复合导热界面材料（InVGr），并进一步通过低熔点 InBiSn 液态金属对其上下表面进行改性，构建了 LM/InVGr/LM 三明治式界面结构。研究表明，垂直取向且连续的石墨导热通道能够显著提升材料的垂直方向导热能力，而液态金属层则通过填充界面微空隙、构建固-液导热桥，有效改善了 TIM 与热源/热沉之间的界面接触状态，从而实现本体高导热与低界面热阻的协同优化（InVGr的制备及表面改性流程如图2所示）。

图2. InVGr复合材料的制备过程；步骤1：(a)条状石墨片的制备；(b)石墨片与铟片交替堆叠结构；(c)堆叠铟/石墨材料的压制与放电等离子烧结；(d)铟/石墨复合材料(InGr)；(e)通过垂直切割获得InVGr；(f)石墨在铟基体中的取向排列结构；步骤2：(g)InVGr的表面改性；(h)使用和未使用LM/InVGr/LM作为热界面材料(TIM)系统的示意对比

3. 重要研究成果

首先，研究在结构表征层面验证了铟/垂直石墨复合材料（InVGr）中垂直导热骨架的成功构筑。光学照片、表面与截面显微图像表明，石墨条端部在材料表面密集且均匀暴露，且石墨片在铟基体中沿厚度方向呈明显垂直取向排列；表面粗糙度测试显示，InVGr导热垫平均表面粗糙度为0.51 μm。进一步结合SEM和EDS元素分析结果可以看出，垂直取向石墨片被铟基体稳定包围并牢固嵌入其中，形成了均匀、连续且结构稳定的复合体系（图3展示了InVGr的结构表征结果）。这些结果说明，研究所采用的制备方法能够有效实现垂直石墨导热通路在金属基体中的构筑，为后续热传导性能提升奠定了结构基础。

图3. (a) InVGr光学照片；(b) 表面显微图像，可见垂直石墨条端面；(c) 截面显微图像，证实石墨垂直排列；(d) EDS元素谱，确认成分为In和C；(e) 表面SEM图像；(f-h) EDS元素映射，显示石墨均匀嵌入铟基体。

其次，InVGr复合材料表现出优异的面外导热性能。激光闪射法测试结果表明，其室温下面外热导率达到220.2 W/m·K，相较纯铟对应的热导率增强率达到168.5%，显示出显著优于基体金属的导热能力。虽然随着温度由25 °C升高至90 °C，受铟中电子-声子散射和石墨中声子-声子散射增强影响，材料热导率有所下降，但在90 °C时仍可保持182.9 W/m·K的较高水平（图4给出了InVGr的导热性能测试结果）。与已有多数垂直结构碳基导热界面材料相比，InVGr的导热性能仍处于较领先水平，表明其能够满足高功率电子器件在典型工作温度范围内的散热需求。

图4. (a) 纯铟与InVGr的热导率、热扩散率对比；(b) 25–90°C范围内两者的热导率、热扩散率随温度变化曲线；(c) InVGr与已报道垂直结构碳基TIM的热导率对比，性能处于领先水平。

再次，有限元模拟与实际加热实验共同证明，InVGr具有更快的热传递速率和更优的面外散热能力（图5给出了InVGr的有限元模拟结果与实际加热实验结果）。模拟结果显示，相较纯铟，InVGr内部热量沿厚度方向传输更为迅速；红外热成像及升温曲线进一步表明，在相同加热条件下，InVGr不仅升温更快，而且其表面温度较纯铟高5.4 °C。该结果说明，垂直取向石墨片在铟基体中形成的连续导热网络，能够显著促进热量沿面外方向快速传输，从而提升材料整体热扩散与散热效率。

图5. (a) 纯铟与InVGr的有限元传热模拟，InVGr热量传输更快；(b) 实际散热测试装置示意图；(c) 红外热成像对比，InVGr表面温度更高；(d) 升温曲线显示InVGr传热速率优于纯铟。

此外，研究还表明，液态金属表面改性能够显著降低InVGr的界面接触热阻，并进一步提高其实际导热性能（图6给出了不同样品的热阻测试结果）。测试结果显示，在20–100 psi压力范围内，未改性的InVGr总热阻始终低于纯铟，并由0.62 cm²·K/W降至0.25 cm²·K/W；对应有效热导率由24.2 W/m·K提高至59.5 W/m·K，说明垂直导热通路已经能够有效改善传热性能。然而，由于InVGr本身刚性较高、表面石墨分布不连续，其与热源和散热器之间仍存在较大的界面接触热阻。为此，研究进一步采用低熔点InBiSn液态金属对材料上下表面进行改性，构建了LM/InVGr/LM夹层结构。改性后，材料总热阻在20–100 psi范围内进一步降至0.24–0.19 cm²·K/W，在100 psi下有效热导率提高至92.3 W/m·K；接触热阻也显著下降，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。上述结果表明，液态金属能够通过填充界面微间隙、构建界面热桥，有效改善材料与接触表面的贴合状态，从而大幅降低界面热阻。

图6. (a) 热阻测试原理示意图；(b) 纯铟与InVGr的总热阻随压力变化曲线；(c) 两者有效热导率随压力变化曲线；(d) LM/InVGr/LM截面SEM图像，可见LM层均匀覆盖；(e) EDS元素映射证实LM层分布；(f) 表面改性前后总热阻对比，改性后显著降低；(g) 表面改性前后接触热阻对比，改性后降至0.09 cm²·K/W；(h) 商用硅胶垫的热阻随压力变化曲线，性能远低于LM/InVGr/LM。

最后，实际散热测试进一步验证了LM/InVGr/LM在器件级热管理中的优异表现（图7给出了不同样品在实际工况下的散热性能对比结果）。与商业硅胶导热垫、碳纤维垫、未改性InVGr及液态金属改性纯铟相比，LM/InVGr/LM在12 W/cm²加热功率下表现出最佳散热性能：使用硅胶导热垫和碳纤维垫时，加热器温度分别高达113.3 °C和98.9 °C，而使用InVGr、LM/In/LM和LM/InVGr/LM时，温度分别降至70.2 °C、67.3 °C和55.5 °C，其中LM/InVGr/LM降温效果最为显著。在4–12 W/cm²不同加热功率下，该材料始终能够使热源维持较低温度，其等效传热系数达到0.41 W/m²·°C，分别为碳纤维垫和硅胶导热垫的2.5倍和3.15倍。进一步的1000次加热/冷却循环测试结果显示，在17 W/cm²加热功率下，LM/InVGr/LM循环后温度偏差仅为1.1 °C，且未观察到明显液态金属泄漏，表明该材料不仅具备优异的散热能力，同时还具有良好的热循环稳定性和结构可靠性。

图7. (a) 实际散热测试系统示意图；(b) 不同TIM对应的热源温度对比，LM/InVGr/LM降温效果最显著；(c) 不同加热功率下的温度曲线；(d) 等效传热系数对比，LM/InVGr/LM性能最优；(e) 1000次热循环稳定性测试，温度波动极小。

总体而言，这项研究成功构建了垂直取向石墨/铟复合导热网络，并通过液态金属表面改性实现了本征高导热与低界面热阻的协同优化，最终获得了兼具高面外热导率、低接触热阻、优异实际散热性能及良好循环稳定性的高性能导热界面材料，为高功率电子器件热管理提供了具有应用潜力的新方案。

论文信息：

论文题目：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*

发表时间：2026年6月

DOI：10.1021/acsami.6c04094

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