来源 | nature electronics

链接 | https://doi.org/10.1038/s41928-025-01543-7 P

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背景介绍

·行业趋势：电子技术呈现微型化、高功率密度、高性能需求三大趋势，传统硅技术逼近物理极限，散热成为制约系统性能、可靠性和扩展性的首要因素。

·TIMs 定义与定位：热界面材料是夹在发热组件与散热器之间的薄层材料，核心功能是实现异质表面间的高效热传递，是解决散热瓶颈的核心关键。

·理想与现实差距：经典热模型预测的界面热导远高于实测值，实际性能受纳米级粗糙度、不完全接触、热循环退化等因素严重影响，导致其在 AI 加速器、电力电子、电动汽车传动系统等场景中面临性能限制。

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成果掠影

近日，四川大学吴凯联合德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队探讨了热界面材料的发展。研究了界面热阻的物理起源，并考虑了它对器件缩放的影响，效率和可靠性。然后，讨论了材料和设计策略，可以平衡热导率与机械顺应性，粘合层厚度和电绝缘。最后，强调需要处理热界面材料，而不是作为被动填充物，而是作为与器件架构一起共同设计的整体系统组件，并提出了热界面材料未来发展的集成工程框架。研究成果以“The development of thermal interface materials”为题发表在《Nature electronics》期刊。

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图文导读

图1|界面热阻的来源。理论模型包括载流子失配、界面质量（晶格失配、原子重构和表面粗糙度），而实际器件涉及到不完全接触和长期稳定性等关键因素。

·界面热阻的起源

理想情况下，界面热阻源于相邻材料之间的基本失配，从而阻碍了热量跨越边界的传输。这种失配主要源于原子质量、弹性模量和声速的差异，这些因素会干扰声子传输——而声子是固体中主要的热量载体。当两种具有不同振动特性的材料形成一个界面时，它们的声子态密度和群速度谱通常无法匹配，导致产生一种“能量过滤”效应。这种频谱不兼容性迫使声子经历多次散射和模式转换，从而形成对热流的量子化壁垒。

除了声子之外，其他机制也影响着界面传输。在金属-电介质和金属-半导体界面，电子-声子耦合可以在电子与晶格之间提供一个额外的界面能量转移通道；而在金属-金属界面，直接电子传输占主导地位，这通常能产生更高的界面热导率。

图2|降低界面处有效热阻的策略。a.器件级热界面组件示意图，突出显示热源、散热器、TIM层和BLT。该图包括热阻的主要部件（Rc 1，Rc 2，Rbulk）与温度-距离曲线一起。b-d，改善k的策略：垂直排列的纳米片结构（b）、自支撑纳米阵列（c）和并入LM的结构（d）。例如，使Rc最小化的策略：通过固-液相调制的表面液化（e）、可逆自粘合键（f）和通过弧形结构的声子桥工程（g）。在图g中，α表示表面上水平排列的纳米片和下面倾斜排列的纳米片之间的角度。h-j，控制BLT的策略有：减小填料颗粒间的内耗（h）、液晶聚合物的垂直取向（i）和通过自组装膜来调节颗粒间距（j），这些综合方法旨在通过提高热传输速率、增强界面粘附和优化热路径来提高散热效率。

热界面材料的设计通过一个简洁而深刻的关系式揭示其核心逻辑：有效热阻由材料本体的热导率、上下界面接触热阻以及界面层厚度共同决定。

·提升导热性能

导热系数一直是热界面材料研发的主要焦点，因为它量化了材料在温度梯度下传输热量的速率。聚合物因其良好的机械顺应性和易于加工的特性而被广泛用作基体材料，但其固有的低导热性必须通过使用导热填料来弥补。聚合物复合材料导热性能的提升，常受到填料-填料连接处和填料-基体边界的声子散射的限制。

·降低接触热阻

尽管在高导热性方面取得了进展，但接触热阻仍然是限制因素。即使具有顺应性的热界面材料（模量 < 500 kPa）也常常无法完全贴合微观粗糙的表面，留下阻碍热流的界面空隙。随着黏结线厚度的减小，这一挑战变得更加严峻——这是紧凑型高功率器件中的常见趋势，微小的表面缺陷可能会主导整体热阻。液态金属通过其固有的流动性来贴合表面不规则性，从而解决了这个问题，同时适中的体导热系数进一步有助于传热。

除宏观贴合外，界面的化学键合质量同样至关重要。通过分子设计增强填料与基体、或填料与填料之间的结合，能减少声子散射，进一步提升热输运效率。

图3|未来金属-绝缘体集成电路的综合工程框架。这个综合框架概述了发展先进金属-绝缘体集成电路的三层战略。a-c，理想的微米尺度金属-绝缘体集成电路的设计-低接触电阻、高本征电导率和超薄的BLT，以及机理分析和多尺度表征（a），包括通过稳态热通量分析的宏观尺度热映射（b）和通过四个三维电子能量损失谱（c）。在图B中，Q表示热流。d-f，特定应用TIM的合成和制造途径：在精心策划的热-机械数据集上训练的机器学习模型（d）和标准化的测试协议指导材料筛选，并加速具有定制性能的TIM的开发（e）;可扩展的制造进一步加速了进展（f）。g-i，实际应用中的系统级集成和可靠性，包括解决老化问题的弹性凝胶（g）、缓解泵出的稳定LM（h）和确保极端热通量下耐久性的共同设计封装架构（i）。

最后，提出了一个面向未来的集成工程框架。从理想微尺度热界面材料的构想，到多尺度表征方法，再到机器学习辅助设计与系统级可靠性评估，热界面材料的开发正在从“材料问题”升级为“系统工程”。只有将材料创新、结构设计和应用场景紧密结合，才能真正突破热管理的极限。

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作者信息

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系、机械工程系冠名讲席教授，欧洲科学与艺术学院院士，美国科学促进会会士(FAAAS),美国材料研究学会会士(FMRS),欧洲材料矿物学会会士(FIMMM),英国皇家化学学会会士(FRSC)和皇家物理学会会士(FInstP)。余桂华教授团队的研究重点是新型功能化纳米材料的精确设计和绿色合成，尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。

吴凯，博士，2020年10月加入四川大学高分子科学与工程学院材料系，现任副研究员、先进高分子材料全国重点实验室固定人员。2023–2024年获四川大学优秀青年教师访学项目资助，赴美国德克萨斯大学奥斯汀分校（合作导师：Prof. Guihua Yu）访问学习，研究方向涉及聚合物固态电解质和大气集水材料。

吴凯主要从事材料化学、能源与环境等交叉领域研究，重点关注热输运与能量存储转化（涵盖光热、热电、热辐射、热传导与相变）过程。通过探究物体内部、表界面电/磁/热载流子的输运及调控机制，发展新的材料化学与加工手段，阐明潜在物理机理、解决材料与关键应用中的科学问题，推动其在电子信息、能源与可持续发展等领域的应用。包括：（1）热学功能复合材料；（2）本征导热高分子及液态金属材料；（3）热界面材料；（4）复杂体系导热机理模型。主持国家自然科学基金青年科学基金、面上项目、国家重点研发计划子课题，以及华为等合作项目。