Matter热界面材料新方案：全固态石墨烯导热垫片

背景介绍

随着AI算力芯片功率密度突破1200 W，其局部热流密度高达300-500 W/cm²，这对热界面材料(TIMs)提出严苛要求：总热阻需≤1 mm²K/W才能将界面温升控制在5 °C内。传统导热硅脂、相变材料等热阻普遍＞4 mm²K/W，而且这些材料的导热率不足，厚度稍大则热阻快速增大，难以满足需求。为了适应当前和未来AI芯片的散热需求，潜在解决方案包括液态金属和碳基复合材料两大技术路线：液态金属虽热阻≈1 mm²K/W，但存在氧化、泄漏等问题；垂直取向碳材料虽本征热导率＞1000 W/mK，但因材料刚性导致热阻＞10 mm²K/W。本研究突破性地开发了超声-抛光两步处理工艺：首先通过超声处理使石墨片在介观尺度可控断裂，形成兼具高热导率和柔性的微观结构；再经精密抛光优化表面平整度，显著提升界面接触性能。最终制备的石墨-硅胶复合材料展现出极低总热阻（50 psi：1.8 mm²K/W），高体导热率，优良压缩顺应性以及优异的热循环稳定性。该材料成功解决了传统碳材料压缩性与界面接触性能的矛盾，其导热特性和应用水平极为接近液态金属的水平，为AI芯片散热提供了理想解决方案。

成果掠影

文章亮点

1. 经超声-抛光两步处理的样品具有超低热阻（50 psi：1.8 mm²K/W），为迄今为止报道过的最低的固态型导热垫片热阻，热阻水平仅次于液态金属。高体热导率（460 W/mK），高压缩应变（50 psi：45%）以及优异的热循环稳定性。
2. 样品经两步处理样品的电竞电脑实际散热效果与液态金属（Galinstan）相当。
3. 样品的制备和散热性能提升技术具有简洁高效、低成本、可产业化的特点。

近日，中山大学材料科学与工程学院的楚盛教授课题组在《Matter》上发表了题为“Extremely low thermal resistance in solid state thermal pad from in-situ graphite cracking for high power artificial intelligence chip”的研究文章。研究人员以高导热石墨膜和硅凝胶为原料，采用石墨膜与硅凝胶交替堆叠制备方法，联合超声波-抛光处理技术制备出石墨膜-硅凝胶复合导热垫片。经超声-抛光处理的样品在50 psi压力下的总热阻和压缩应变分别从8.4 mm²K/W降低至1.8 mm²K/W和从20%升高至45%。在实际散热效果测试中，样品可将电竞笔记本电脑CPU运行温度控制在86 °C与液态金属相当。经过持续6个月的实际散热测试后，样品仍具有优异的散热表现。相比之下，液态金属的散热效果显著衰退。

图文导读

图1. 超声波和抛光处理增强样品散热性能的机理。（a）未经处理样品中石墨片压缩力学行为的示意图。（b）未经处理样品的照片和（c）光学显微镜图像。（d）未经处理样品的扫描电镜图像。（e）上：步骤1-3为样品处理效果的示意图；下：未经处理样品结构的示意图。（f）经过处理样品的压缩过程示意图（左：无压力；右：施加压力时石墨片垂直压缩）。（g）处理后样品的照片（左）和扫描电镜图像（右）。

碳材料的通常具有较大刚度，导致复合导热垫片在压缩过程中碳材料不能充分接触配合表面（图1a）。对于石墨薄膜，超声波处理可以使其产生各种微观缺陷。例如，组成石墨膜的石墨烯晶体发生破碎，滑移，以及褶皱（step2）。在此基础上，抛光处理可以消除垫片表面的残余硅胶，同时使石墨片在垫片表面相互充分接触并搭接，形成光洁的碳材料表面（step3）。经超声波和抛光处理后，样品具有低压缩模量（沿垂直方向发生形变）和高效传热表面（图1f，g）。

超声波可以使石墨片产生微米（大尺寸石墨烯片出现褶皱，滑移，碎裂）和纳米级缺陷。石墨片微观结构的变化可以使样品的压缩力学强度降低，优化样品与配合表面的接触效果，从而增强其散热效果。在不同压力下，超声波处理后样品的应变和总热阻分别显著增大和降低。例如，在50 psi的压力下，超声波处理前后样品的压缩率和总热阻分别从20 %增加至45 %和从8.4 mm²K/W降低至4.4 mm²K/W。文章也通过分子动力学模拟的方法，证明了纳米级缺陷可以显著影响多层石墨烯的压缩力学强度。

进一步的抛光处理可以将样品表面起伏从34.5 μm降低至11.1 μm，同时清除石墨片间的残余硅胶；经多轮次抛光处理可以显著优化样品与配合表面的接触效果。对于已超声波处理样品，通过抛光处理可进一步降低其总热阻。例如，在50 psi的压力下，已超声波处理样品经过抛光后，其总热阻从4.4 mm²K/W降低至1.8 mm²K/W。

图2. 超声-抛光处理样品的实际散热性能表现。（a）样品在笔记本电脑中的组装示意图。（b）经过两步处理的样品放置于CPU表面的照片。（c）TC-5888导热硅脂（左）与液态金属（右）涂布在CPU表照片。（d）各样品在1000次测试循环中跑分变化曲线。（e）样品在1000次测试循环中CPU温度变化曲线。（f）两步处理样品与液态金属在180天测试周期内的性能评分变化对比。

未经两步处理样品的实际散热效果比液态金属差，但仍显著优于TC-5888导热硅脂（代表性高端导热硅脂）。经超声-抛光处理后，样品的跑分表现与液态金属相当（图2d）。在满载运行CPU散热方面，在前600个循环，样品可以将其温度控制在86-88 ℃，稍差于液态金属（84-86 ℃）；当测试循环超过600次后，样品的实际控温表现与液态金属相当，二者均可将CPU温度控制在86 ℃（图5e）。在持续6个月的散热效果测试中，样品可持续展现优良的跑分表现；相比之下，液态金属在测试时间超过100天后跑分表现持续降低。

全文小结

1. 经超声波处理，样品在50 psi压力下的压缩应变从20%升高至45%；
2. 经超声波+抛光处理，样品在50 psi压力下的总热阻从8.4 mm²K/W降低至1.8 mm²K/W；
3. 与液态金属相比，在持续6个月的实际散热效果测试中，样品具有优异且稳定的散热表现；
4. 超声波+抛光处理技术解决了垂直排列碳材料基复合导热垫片的压缩性与界面接触性能的矛盾。

作者信息

楚盛，男，中山大学材料科学与工程学院教授。2006年本科毕业于复旦大学物理系，2011年在美国加州大学河滨分校获得电子工程博士学位，2011年-2012年继续在加州大学河滨分校从事博士后研究，2012年入职中山大学任“百人计划”教授，2016年获聘广东省青年珠江学者。发表论文60余篇，包括Nat. Nanotechnol.、ACS Nano、Carbon、ACS Appl. Mater. Interfaces等。研究成果曾被Washington Post, Science today, Scientific American等多家媒体报道。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102547