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(xù)升級(jí)，電子系統(tǒng)正在經(jīng)歷前所未有的功率密度增長(zhǎng)。算力越強(qiáng)，單位面積內(nèi)產(chǎn)生的熱量越大，而熱量如果無(wú)法及時(shí)、高效地被傳導(dǎo)和釋放，就會(huì)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(lèi)看似不起眼、卻至關(guān)重要的材料——熱界面材料（TIMs），逐漸站到了電子散熱技術(shù)的核心位置。盡管理論模型早已給出了極高的界面熱傳導(dǎo)上限，但在真實(shí)器件中，納米級(jí)粗糙度、界面接觸不完全以及長(zhǎng)期服役過(guò)程中的退化，使得熱傳輸效率與理想狀態(tài)存在巨大差距。這種差距，正在成為先進(jìn)電子系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

在此，四川大學(xué)吳凱副研究員聯(lián)合美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授發(fā)表綜述文章，從界面熱阻的物理起源出發(fā)，深入分析了其對(duì)器件尺度、效率和可靠性的影響。文章指出，傳統(tǒng)上將熱界面材料視為“被動(dòng)填充層”的思路，已難以應(yīng)對(duì)高功率、高集成度電子系統(tǒng)的需求。未來(lái)的熱界面材料，需要在熱導(dǎo)率、界面接觸、厚度控制和電絕緣之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，并作為系統(tǒng)級(jí)工程的一部分，與器件結(jié)構(gòu)同步設(shè)計(jì)。這一視角的轉(zhuǎn)變，為下一代電子散熱技術(shù)提供了新的發(fā)展框架。相關(guān)成果以“The development of thermal interface materials”為題發(fā)表在《Nature Electronics》上，Zhengli Dou和Chuxin Lei為共同一作。

界面熱阻從何而來(lái)？

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(xiàn)實(shí)中的界面遠(yuǎn)比模型復(fù)雜。文章首先從微觀層面解釋了界面熱阻的來(lái)源。如圖1所示，不同材料在原子質(zhì)量、彈性模量和聲速等方面的差異，會(huì)導(dǎo)致聲子譜不匹配，從而在界面處產(chǎn)生“能量過(guò)濾”效應(yīng)，限制熱流通過(guò)。此外，晶格失配、原子重構(gòu)、界面鍵合強(qiáng)度不足，以及原子級(jí)粗糙和無(wú)序?qū)拥拇嬖冢紩?huì)進(jìn)一步增強(qiáng)聲子散射，抬高界面熱阻（圖1a–1c）。當(dāng)視角從材料本征性質(zhì)擴(kuò)展到真實(shí)器件，問(wèn)題變得更加復(fù)雜。即便經(jīng)過(guò)精密加工的表面，也不可避免地存在微觀凸起，導(dǎo)致接觸并不連續(xù)。在外加壓力和熱循環(huán)條件下，這些界面會(huì)不斷演化：初期可能因貼合改善而熱阻降低，但長(zhǎng)期運(yùn)行往往引發(fā)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(gè)固定參數(shù)，而是隨機(jī)械、熱和環(huán)境應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。

圖1：界面熱阻的起源。

熱界面材料設(shè)計(jì)的“三要素”

在系統(tǒng)層面，文章用一個(gè)簡(jiǎn)潔但極具指導(dǎo)意義的關(guān)系式總結(jié)了熱界面材料的核心設(shè)計(jì)邏輯：有效熱阻由材料本身的熱導(dǎo)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(shù)被顯著優(yōu)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(diǎn)突破。

在提升材料熱導(dǎo)率方面，聚合物基復(fù)合材料仍然是應(yīng)用最廣的體系。傳統(tǒng)方法通過(guò)提高導(dǎo)熱填料含量，促使形成連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，但高填充往往帶來(lái)加工困難和機(jī)械性能下降。文章展示了多種結(jié)構(gòu)化策略，例如通過(guò)磁場(chǎng)或剪切誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)填料的垂直取向，從而在厚度方向構(gòu)建低曲折度的導(dǎo)熱通道（圖2b）。相比隨機(jī)分布，這類(lèi)有序結(jié)構(gòu)能在更低填充量下獲得更高的面外熱導(dǎo)率。進(jìn)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(xiàn)優(yōu)勢(shì)。垂直排列的碳納米管陣列或石墨烯結(jié)構(gòu)，能夠兼顧高熱導(dǎo)率和一定的機(jī)械順應(yīng)性（圖2c）；而以鎵基合金為代表的液態(tài)金屬體系，則憑借流動(dòng)性自然填充表面微結(jié)構(gòu)，在室溫下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的界面貼合（圖2d）。這些策略從根本上重塑了熱傳導(dǎo)路徑。

即便材料本體熱導(dǎo)率再高，如果界面無(wú)法充分貼合，熱量依然會(huì)被“卡”在接觸層。文章指出，許多傳統(tǒng)TIM在低模量條件下仍存在大量微空隙，導(dǎo)致接觸熱阻居高不下。液態(tài)金屬通過(guò)表面潤(rùn)濕和流動(dòng)性，顯著降低了這一問(wèn)題；而將液態(tài)金屬與剛性高導(dǎo)熱骨架結(jié)合，則進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了低于 1 mm2·K·W?1 的接觸熱阻。除了宏觀貼合，界面鍵合質(zhì)量同樣關(guān)鍵。通過(guò)可逆氫鍵或動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵構(gòu)建的自粘附界面，可以在加熱或卸載后反復(fù)恢復(fù)粘附狀態(tài)，從而在熱循環(huán)中維持穩(wěn)定接觸（圖2f）。更精細(xì)的聲子工程策略，如構(gòu)建弧形聲子橋結(jié)構(gòu)，則從振動(dòng)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(shí)際裝配中，顆粒間摩擦和結(jié)構(gòu)回彈往往使厚度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。文章展示了通過(guò)降低填料間摩擦、引入液態(tài)潤(rùn)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(huán)氧和自組裝單分子層等自整平結(jié)構(gòu)，也為實(shí)現(xiàn)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(tǒng)級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)

在文章的最后，作者提出了一個(gè)面向未來(lái)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(gòu)想，到多尺度表征方法，再到機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)與系統(tǒng)級(jí)可靠性評(píng)估，熱界面材料的開(kāi)發(fā)正在從“材料問(wèn)題”升級(jí)為“系統(tǒng)工程”。隨著芯片面積擴(kuò)大、熱流密度逼近 1 kW·cm?2，只有將材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合，才能真正突破熱管理的極限。

圖3：面向未來(lái)的熱界面材料集成工程框架。

展望

總體來(lái)看，熱界面材料正處在從經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化走向科學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段。未來(lái)的突破，不僅依賴(lài)更高的熱導(dǎo)率，更取決于對(duì)界面、厚度、電性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的整體把控。正如本文所強(qiáng)調(diào)的那樣，當(dāng)熱界面材料被視為電子系統(tǒng)中不可或缺的“主動(dòng)組件”，而非簡(jiǎn)單填充物時(shí)，電子器件的散熱邊界，才有可能被真正重新定義。