論文信息：

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

論文鏈接：

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

Part.1

研究背景

隨著微電子器件向小型化、高性能化快速迭代，消費(fèi)電子、高性能計(jì)算、電動(dòng)汽車及 5G/6G 通信等領(lǐng)域的功率密度持續(xù)攀升，導(dǎo)致材料界面處發(fā)熱量激增，熱流密度甚至突破數(shù)百 W/cm2，形成嚴(yán)重?zé)崞款i，直接制約電子系統(tǒng)的性能發(fā)揮、運(yùn)行可靠性及使用壽命；傳統(tǒng)熱界面材料（如潤(rùn)滑脂、相變材料、普通膠帶）在極端功率密度、大溫度梯度及長(zhǎng)期運(yùn)行工況下，逐漸暴露出熱導(dǎo)率不足、力學(xué)順應(yīng)性差、環(huán)境穩(wěn)定性弱等短板，而碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）功率模塊及電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)等新興器件，對(duì)熱界面材料的苛刻工況適應(yīng)能力（如抗熱循環(huán)、耐氧化、防泄漏）提出了更高要求，研究方向也已從簡(jiǎn)單填充型復(fù)合材料轉(zhuǎn)向金屬網(wǎng)絡(luò)、垂直排列納米結(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬通路等工程化材料。在此背景下，本文系統(tǒng)綜述了熱界面材料的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，涵蓋熱潤(rùn)滑脂、相變材料、熱膠帶、金屬基、陶瓷基及納米材料增強(qiáng)復(fù)合材料等主要類別，深入分析了各類材料的熱導(dǎo)率、熱阻、力學(xué)性能等核心特征及優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)探討了碳納米管、石墨烯、納米纖維素等納米材料在提升熱性能方面的最新進(jìn)展，并明確了界面接觸熱阻優(yōu)化、混合復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)保材料開發(fā)等關(guān)鍵方向，其研究意義在于為下一代微電子和功率系統(tǒng)的熱管理提供全面、系統(tǒng)的技術(shù)參考，助力突破熱管理瓶頸，推動(dòng)高效、可靠、可持續(xù)的熱界面材料創(chuàng)新與工業(yè)化應(yīng)用，為新興電子技術(shù)的性能升級(jí)奠定基礎(chǔ)。

Part.2

研究?jī)?nèi)容

本文圍繞電子設(shè)備高效熱管理用熱界面材料（TIMs）展開系統(tǒng)性研究，首先深入剖析了微電子器件熱管理的核心痛點(diǎn)與熱界面材料的作用機(jī)制。隨著器件小型化、高性能化發(fā)展，功率密度激增導(dǎo)致熱流密度突破數(shù)百 W/cm2，傳統(tǒng)材料難以滿足散熱需求。如圖 1 所示，該圖通過(guò)電子設(shè)備熱管理示意圖、熱阻網(wǎng)絡(luò)及熱界面材料分子模型，清晰呈現(xiàn)了熱界面材料在芯片與散熱器之間的 “搭橋” 作用 —— 通過(guò)填充界面微小空隙，降低空氣間隙導(dǎo)致的高熱阻，確保熱量高效傳導(dǎo)，這為后續(xù)材料性能評(píng)估奠定了理論基礎(chǔ)。

圖 1 (a) 電子設(shè)備熱管理示意圖；(b) 熱阻網(wǎng)絡(luò)；(c) 熱界面材料（TIM）的分子模型（以聚合物基熱界面材料為代表）。

在此基礎(chǔ)上，論文對(duì)熱界面材料進(jìn)行了全面分類與性能對(duì)比，涵蓋熱潤(rùn)滑脂、相變材料、熱膠帶、金屬基、陶瓷基及納米材料增強(qiáng)復(fù)合材料等主要類型。如圖 2 所示，該圖通過(guò)有無(wú)熱界面材料的散熱示意圖對(duì)比，直觀展示了不同類型材料的散熱效果：熱潤(rùn)滑脂憑借良好的表面潤(rùn)濕性填充空隙，但存在干涸風(fēng)險(xiǎn)；相變材料通過(guò)固 - 液相變實(shí)現(xiàn)熱緩沖，卻需納米顆粒改性提升導(dǎo)熱率；熱膠帶則以便捷性著稱，但導(dǎo)熱性能中等。同時(shí)，如圖 3 所示，該圖呈現(xiàn)了熱界面材料的制備過(guò)程、原理及相變熱界面材料（PCTIMs）填充粗糙表面的效果，證實(shí)這類材料可通過(guò)適配表面粗糙度進(jìn)一步降低接觸熱阻，為不同應(yīng)用場(chǎng)景的材料選型提供了可視化依據(jù)。

圖 2 促進(jìn)電子設(shè)備散熱的熱界面材料示意圖。

圖 3 材料制備 (b) 材料制備原理 (c) 相變熱界面材料（PCTIMs）填充粗糙表面以降低接觸熱阻。

論文還聚焦先進(jìn)納米材料與復(fù)合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研發(fā)，重點(diǎn)探討了碳納米管（CNTs）、石墨烯、納米纖維素等納米材料的改性潛力。如圖 4 所示，該圖展示了多種先進(jìn)熱界面材料的制備方法及對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括石墨烯基復(fù)合材料、碳化硅納米棒修飾材料、銀納米顆粒復(fù)合納米纖維素等，揭示了通過(guò)特定制備工藝（如過(guò)濾、退火、壓縮）構(gòu)建連續(xù)導(dǎo)熱通路的關(guān)鍵思路。研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，納米填充劑可顯著提升傳統(tǒng)材料的熱導(dǎo)率 —— 例如 3% 碳納米管可使石蠟導(dǎo)熱率提升 30%，石墨烯基材料熱導(dǎo)率可達(dá) 5-20 W/(m?K)，這些數(shù)據(jù)與圖 4 中的結(jié)構(gòu)表征相互印證，為高性能熱界面材料的設(shè)計(jì)提供了具體技術(shù)路徑。

圖 4 熱界面材料的制備方法及對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)。

最后，論文明確了熱界面材料的核心性能指標(biāo)與選擇標(biāo)準(zhǔn)，并展望了未來(lái)研究方向?；跓釋?dǎo)率、熱阻、力學(xué)順應(yīng)性、耐久性等關(guān)鍵特征，建立了適配不同應(yīng)用場(chǎng)景的選型體系；同時(shí)提出，未來(lái)需通過(guò)界面工程、混合復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)保材料開發(fā)等方式，解決傳統(tǒng)材料的性能瓶頸。這些研究?jī)?nèi)容既涵蓋了基礎(chǔ)機(jī)理與材料分類，又聚焦于先進(jìn)技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用，為下一代微電子設(shè)備的熱管理提供了全面、系統(tǒng)的技術(shù)支撐。

Part.3

研究總結(jié)

該論文圍繞電子設(shè)備高效熱管理用熱界面材料（TIMs）展開系統(tǒng)性研究，聚焦器件小型化與高性能化帶來(lái)的熱瓶頸問(wèn)題，系統(tǒng)梳理了熱潤(rùn)滑脂、相變材料、熱膠帶、金屬基、陶瓷基及納米材料增強(qiáng)復(fù)合材料等主流 TIMs 的分類、制備工藝、核心性能（如熱導(dǎo)率、熱阻、力學(xué)特性）與應(yīng)用場(chǎng)景，深入分析了各類材料的優(yōu)勢(shì)與局限（如傳統(tǒng)材料易干涸、導(dǎo)熱不足，納米材料需解決分散與界面耦合問(wèn)題）；重點(diǎn)探討了碳納米管、石墨烯、納米纖維素、石蠟基復(fù)合材料等納米材料在提升 TIMs 熱導(dǎo)率與力學(xué)性能方面的最新進(jìn)展，揭示了界面工程、混合復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、填料取向調(diào)控等關(guān)鍵優(yōu)化策略；同時(shí)明確了 TIMs 的核心選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括熱導(dǎo)率、熱阻、機(jī)械兼容性、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性等，并展望了二維材料、金剛石基復(fù)合材料、直接鍵合技術(shù)及環(huán)?？沙掷m(xù)材料等前沿發(fā)展方向，為下一代微電子和功率系統(tǒng)的熱管理提供了全面、系統(tǒng)的技術(shù)參考與創(chuàng)新指引。

Thermal Interface materials forefficient heat management in electronics.pdf

歡迎關(guān)注公眾號(hào) “芯片散熱”