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熱界面材料！

隨著微處理器、人工智能硬件和功率電子器件的持續升級，電子系統正在經歷前所未有的功率密度增長。算力越強，單位面積內產生的熱量越大，而熱量如果無法及時、高效地被傳導和釋放，就會直接限制器件性能、壽命和可靠性。正是在這樣的背景下，一類看似不起眼、卻至關重要的材料——熱界面材料（TIMs），逐漸站到了電子散熱技術的核心位置。盡管理論模型早已給出了極高的界面熱傳導上限，但在真實器件中，納米級粗糙度、界面接觸不完全以及長期服役過程中的退化，使得熱傳輸效率與理想狀態存在巨大差距。這種差距，正在成為先進電子系統發展的關鍵瓶頸。

在此，四川大學吳凱副研究員聯合美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授發表綜述文章，從界面熱阻的物理起源出發，深入分析了其對器件尺度、效率和可靠性的影響。文章指出，傳統上將熱界面材料視為“被動填充層”的思路，已難以應對高功率、高集成度電子系統的需求。未來的熱界面材料，需要在熱導率、界面接觸、厚度控制和電絕緣之間實現協同優化，并作為系統級工程的一部分，與器件結構同步設計。這一視角的轉變，為下一代電子散熱技術提供了新的發展框架。相關成果以“The development of thermal interface materials”為題發表在《Nature Electronics》上，Zhengli Dou和Chuxin Lei為共同一作。

界面熱阻從何而來？

在理想情況下，熱量可以在兩種材料的界面上順暢傳遞，但現實中的界面遠比模型復雜。文章首先從微觀層面解釋了界面熱阻的來源。如圖1所示，不同材料在原子質量、彈性模量和聲速等方面的差異，會導致聲子譜不匹配，從而在界面處產生“能量過濾”效應，限制熱流通過。此外，晶格失配、原子重構、界面鍵合強度不足，以及原子級粗糙和無序層的存在，都會進一步增強聲子散射，抬高界面熱阻（圖1a–1c）。當視角從材料本征性質擴展到真實器件，問題變得更加復雜。即便經過精密加工的表面，也不可避免地存在微觀凸起，導致接觸并不連續。在外加壓力和熱循環條件下，這些界面會不斷演化：初期可能因貼合改善而熱阻降低，但長期運行往往引發界面疲勞、微裂紋甚至分層，使熱阻逐步上升（圖1d）。因此，界面熱阻并非一個固定參數，而是隨機械、熱和環境應力動態變化的過程。

圖1：界面熱阻的起源。

熱界面材料設計的“三要素”

在系統層面，文章用一個簡潔但極具指導意義的關系式總結了熱界面材料的核心設計邏輯：有效熱阻由材料本身的熱導率、上下界面的接觸熱阻以及界面層厚度共同決定。如圖2a所示，即便單一參數被顯著優化，整體性能仍可能受制于“最短板”。這意味著，提高熱界面材料性能，必須同步兼顧三方面因素，而非單點突破。

在提升材料熱導率方面，聚合物基復合材料仍然是應用最廣的體系。傳統方法通過提高導熱填料含量，促使形成連續導熱網絡，但高填充往往帶來加工困難和機械性能下降。文章展示了多種結構化策略，例如通過磁場或剪切誘導實現填料的垂直取向，從而在厚度方向構建低曲折度的導熱通道（圖2b）。相比隨機分布，這類有序結構能在更低填充量下獲得更高的面外熱導率。進一步擺脫聚合物基體的限制，碳基和金屬基熱界面材料逐漸展現優勢。垂直排列的碳納米管陣列或石墨烯結構，能夠兼顧高熱導率和一定的機械順應性（圖2c）；而以鎵基合金為代表的液態金屬體系，則憑借流動性自然填充表面微結構，在室溫下實現優異的界面貼合（圖2d）。這些策略從根本上重塑了熱傳導路徑。

即便材料本體熱導率再高，如果界面無法充分貼合，熱量依然會被“卡”在接觸層。文章指出，許多傳統TIM在低模量條件下仍存在大量微空隙，導致接觸熱阻居高不下。液態金屬通過表面潤濕和流動性，顯著降低了這一問題；而將液態金屬與剛性高導熱骨架結合，則進一步實現了低于 1 mm2·K·W?1 的接觸熱阻。除了宏觀貼合，界面鍵合質量同樣關鍵。通過可逆氫鍵或動態共價鍵構建的自粘附界面，可以在加熱或卸載后反復恢復粘附狀態，從而在熱循環中維持穩定接觸（圖2f）。更精細的聲子工程策略，如構建弧形聲子橋結構，則從振動模式匹配的角度減少散射損失（圖2g）。

界面層厚度是影響熱阻的直接因素。理論上，厚度越小，熱阻越低，但在實際裝配中，顆粒間摩擦和結構回彈往往使厚度遠高于設計值。文章展示了通過降低填料間摩擦、引入液態潤滑組分，使界面層在壓裝后接近單顆粒直徑的案例（圖2h）。此外，液晶環氧和自組裝單分子層等自整平結構，也為實現超薄、均勻界面提供了新的可能（圖2i、2j）。

圖2：降低界面有效熱阻的策略。

走向系統級協同設計

在文章的最后，作者提出了一個面向未來的集成工程框架。如圖3所示，從理想微尺度熱界面材料的構想，到多尺度表征方法，再到機器學習輔助設計與系統級可靠性評估，熱界面材料的開發正在從“材料問題”升級為“系統工程”。隨著芯片面積擴大、熱流密度逼近 1 kW·cm?2，只有將材料創新、結構設計和應用場景緊密結合，才能真正突破熱管理的極限。

圖3：面向未來的熱界面材料集成工程框架。

展望

總體來看，熱界面材料正處在從經驗優化走向科學設計的關鍵階段。未來的突破，不僅依賴更高的熱導率，更取決于對界面、厚度、電性能和長期穩定性的整體把控。正如本文所強調的那樣，當熱界面材料被視為電子系統中不可或缺的“主動組件”，而非簡單填充物時，電子器件的散熱邊界，才有可能被真正重新定義。