四川大学吴凯，联合余桂华院士，Nature Electronics！

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一、背景介绍

随着微处理器和人工智能硬件的功率密度不断增加，电子系统的散热已接近物理极限。热界面材料(TIMs)作为连接发热组件与散热器的薄层，是解决热瓶颈、确保系统性能和可靠性的核心。然而，现实中纳米级表面粗糙度、接触不完善以及热循环下的性能退化，使得实际散热效率远低于经典模型的预测，这严重限制了 AI 加速器的吞吐量、电力电子的稳定性及电动汽车的耐用性。

二、文章概述

有鉴于此，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等人探讨了热界面材料的发展。研究了界面热阻的物理起源，并考虑了其对器件微缩、效率和可靠性的影响。然后，讨论了能够平衡热导率与机械顺应性、胶层厚度和电气绝缘的材料及设计策略。最后，强调需要将热界面材料视为与器件架构协同设计的整体系统组件，而非被动填充物，并为热界面材料的未来发展提出了一个综合工程框架。

三、具体内容

界面热阻的物理起源与演变

界面热阻（Interfacial Thermal Resistance）本质上源于两种异质材料之间物理性质的根本失配，这阻碍了固体中主要能量载体——声子的跨界传输。原子质量、弹性模量和声速的差异会导致振动特性的不匹配，从而产生“能量过滤”效应，迫使声子发生多次散射和模式转换，形成量子化的传热障碍。在微观层面，晶格错配、原子重构以及薄弱的范德华力连接进一步加剧了这种阻力，而更强的化学键合则能通过增强振动模式的重叠来改善传输效率。在实际应用中，热阻并非静态参数，而是随着设备的运行动态演变的。机械压力的不均匀分布会导致局部应力集中，产生未接触的空隙；而热循环过程中，由于热膨胀系数（CTE）的不匹配，材料界面会发生微小位移，导致疲劳剥离或起皱，进而引起热阻随循环次数增加而大幅上升。此外，氧化和腐蚀等环境因素会在界面形成低导热的非晶层，彻底切断原有的热路径。因此，理解热阻的起源必须兼顾原子级的载流子物理和宏观的力学稳定性。

图  界面热阻的来源

降低有效热阻的综合设计策略

热界面材料（TIMs）的最终性能由三个相互关联的变量决定：本质热导率（k）、接触热阻（R_c）和胶层厚度（BLT）。为了实现总有效热阻（R_eff）的最小化，研究者提出了一系列同步优化的策略。在提升本质导热率方面，传统的随机分散填料往往面临“渗透阈值”瓶颈，而通过磁场定向或剪切诱导使各向异性填料（如碳纤维或石墨烯）垂直排列，可以构建低曲折度的“导热高速公路”，在低填充量下实现极高的出面热导率。针对接触热阻，液态金属（LM）凭借其在室温下的自发浸润能力，能够完美填充纳米级的表面粗糙度，甚至可以通过表面液化技术进一步降低界面障碍。在控制BLT方面，填料间的内摩擦通常限制了压缩厚度，引入液态添加剂或界面润滑剂能显著提高基体流动性，使胶层厚度接近单颗粒直径（约 4.3 μm）。此外，利用具有可逆化学键（如氢键或动态共价键）的分子设计，可以使TIMs在热循环中保持良好的表面自适应粘附，防止因热失配导致的接触丢失。

图  降低界面有效热阻的策略

电气绝缘需求的分类与权衡

电气绝缘是TIMs设计中至关重要的约束，可划分为高、中、非绝缘三种应用场景。在高度绝缘场景（如太阳能逆变器、车载充电器）中，TIMs必须承受数千伏的击穿电压，通常采用高度有序的分子结构（如固态拉伸聚乙烯）或氮化硼（hBN）等绝缘填料。然而，提高填料载荷往往会引入空隙，导致介电强度下降，因此研究者转向三维交联网络和电荷限制设计，通过建立势垒捕捉移动载流子，从而在提升导热的同时维持绝缘。在通用绝缘场景（如消费电子、低压 LED）中，设计的核心是在维持基本安全性（电阻率> 10⁹Ω⋅m）的同时，优化材料的流变性和加工性，通过引入痕量液态金属作为润滑剂来增强传热，但含量需严格限制在电气渗透阈值以下。对于非绝缘场景（如高性能 CPU/GPU），设计完全释放了介电约束，可以直接利用导电的液态金属、石墨烯或碳纳米管阵列。这些材料通过高效的电子传输通道（而非受限的声子传输）工作，可将界面热阻降低至 1.0mm²⋅K/W 以下，代表了热管理性能的极限。

图  未来TIM的综合工程框架

四、总结与展望

尽管TIMs性能在过去二十年已提升十倍，但相较于原子级结合所能达到的理论极限（>500GW⋅m⁻²⋅K⁻¹），仍存在巨大缺口。未来的突破需要跨越微观机制与宏观性能之间的非线性鸿沟。首先，必须引入多尺度的表征工具，如利用超快泵浦-探测光谱揭示界面声子动力学，以及通过四维电子能量损失谱（4D-EELS）可视化原子级的振动模式。其次，数据驱动的研发范式将成为主流，通过机器学习模型处理热、力、电等多维度数据集，可以快速筛选出具有定制化性能的材料，并预测其在极端环境（如真空或热冲击）下的长期寿命。在制造领域，如何实现高性能TIMs（如金属纳米线、碳纳米管网络）的大规模工业生产和组装，是商业化落地的核心挑战，这要求开发出如晶圆级生长或卷对卷加工等新型工艺。最后，针对未来人工智能加速器等设备面临的超高热通量（接近 1kW⋅cm⁻²）需求，TIMs 必须从被动填充物转变为与封装架构协同设计的集成组件，确保在厘米级的大面积界面上实现传热的长期一致性和可靠性。

参考文献：

Dou, Z., Lei, C., Wu, K. et al. The development of thermal interface materials. Nat Electron 8, 1146–1155 (2025).