ATE：熱界面材料綜述

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，消費電子、高性能計算、電動汽車及 5G/6G 通信等領域的功率密度持續攀升，導致材料界面處發熱量激增，熱流密度甚至突破數百 W/cm2，形成嚴重熱瓶頸，直接制約電子系統的性能發揮、運行可靠性及使用壽命；傳統熱界面材料（如潤滑脂、相變材料、普通膠帶）在極端功率密度、大溫度梯度及長期運行工況下，逐漸暴露出熱導率不足、力學順應性差、環境穩定性弱等短板，而碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）功率模塊及電動汽車電池系統等新興器件，對熱界面材料的苛刻工況適應能力（如抗熱循環、耐氧化、防泄漏）提出了更高要求，研究方向也已從簡單填充型復合材料轉向金屬網絡、垂直排列納米結構、液態金屬通路等工程化材料。在此背景下，本文系統綜述了熱界面材料的技術發展現狀，涵蓋熱潤滑脂、相變材料、熱膠帶、金屬基、陶瓷基及納米材料增強復合材料等主要類別，深入分析了各類材料的熱導率、熱阻、力學性能等核心特征及優缺點，重點探討了碳納米管、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展，并明確了界面接觸熱阻優化、混合復合結構設計、環保材料開發等關鍵方向，其研究意義在于為下一代微電子和功率系統的熱管理提供全面、系統的技術參考，助力突破熱管理瓶頸，推動高效、可靠、可持續的熱界面材料創新與工業化應用，為新興電子技術的性能升級奠定基礎。

Part.2

研究內容

本文圍繞電子設備高效熱管理用熱界面材料（TIMs）展開系統性研究，首先深入剖析了微電子器件熱管理的核心痛點與熱界面材料的作用機制。隨著器件小型化、高性能化發展，功率密度激增導致熱流密度突破數百 W/cm2，傳統材料難以滿足散熱需求。如圖 1 所示，該圖通過電子設備熱管理示意圖、熱阻網絡及熱界面材料分子模型，清晰呈現了熱界面材料在芯片與散熱器之間的 “搭橋” 作用 —— 通過填充界面微小空隙，降低空氣間隙導致的高熱阻，確保熱量高效傳導，這為后續材料性能評估奠定了理論基礎。

圖 1 (a) 電子設備熱管理示意圖；(b) 熱阻網絡；(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）。

在此基礎上，論文對熱界面材料進行了全面分類與性能對比，涵蓋熱潤滑脂、相變材料、熱膠帶、金屬基、陶瓷基及納米材料增強復合材料等主要類型。如圖 2 所示，該圖通過有無熱界面材料的散熱示意圖對比，直觀展示了不同類型材料的散熱效果：熱潤滑脂憑借良好的表面潤濕性填充空隙，但存在干涸風險；相變材料通過固 - 液相變實現熱緩沖，卻需納米顆粒改性提升導熱率；熱膠帶則以便捷性著稱，但導熱性能中等。同時，如圖 3 所示，該圖呈現了熱界面材料的制備過程、原理及相變熱界面材料（PCTIMs）填充粗糙表面的效果，證實這類材料可通過適配表面粗糙度進一步降低接觸熱阻，為不同應用場景的材料選型提供了可視化依據。

圖 2 促進電子設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。

論文還聚焦先進納米材料與復合結構的創新研發，重點探討了碳納米管（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熱界面材料的制備方法及對應結構，包括石墨烯基復合材料、碳化硅納米棒修飾材料、銀納米顆粒復合納米纖維素等，揭示了通過特定制備工藝（如過濾、退火、壓縮）構建連續導熱通路的關鍵思路。研究通過實驗驗證，納米填充劑可顯著提升傳統材料的熱導率 —— 例如 3% 碳納米管可使石蠟導熱率提升 30%，石墨烯基材料熱導率可達 5-20 W/(m?K)，這些數據與圖 4 中的結構表征相互印證，為高性能熱界面材料的設計提供了具體技術路徑。

圖 4 熱界面材料的制備方法及對應結構。

最后，論文明確了熱界面材料的核心性能指標與選擇標準，并展望了未來研究方向。基于熱導率、熱阻、力學順應性、耐久性等關鍵特征，建立了適配不同應用場景的選型體系；同時提出，未來需通過界面工程、混合復合結構設計、環保材料開發等方式，解決傳統材料的性能瓶頸。這些研究內容既涵蓋了基礎機理與材料分類，又聚焦于先進技術與實際應用，為下一代微電子設備的熱管理提供了全面、系統的技術支撐。

Part.3

研究總結

該論文圍繞電子設備高效熱管理用熱界面材料（TIMs）展開系統性研究，聚焦器件小型化與高性能化帶來的熱瓶頸問題，系統梳理了熱潤滑脂、相變材料、熱膠帶、金屬基、陶瓷基及納米材料增強復合材料等主流 TIMs 的分類、制備工藝、核心性能（如熱導率、熱阻、力學特性）與應用場景，深入分析了各類材料的優勢與局限（如傳統材料易干涸、導熱不足，納米材料需解決分散與界面耦合問題）；重點探討了碳納米管、石墨烯、納米纖維素、石蠟基復合材料等納米材料在提升 TIMs 熱導率與力學性能方面的最新進展，揭示了界面工程、混合復合結構設計、填料取向調控等關鍵優化策略；同時明確了 TIMs 的核心選擇標準，包括熱導率、熱阻、機械兼容性、耐久性、環境適應性等，并展望了二維材料、金剛石基復合材料、直接鍵合技術及環保可持續材料等前沿發展方向，為下一代微電子和功率系統的熱管理提供了全面、系統的技術參考與創新指引。

Thermal Interface materials forefficient heat management in electronics.pdf

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