石墨烯导热垫片的表面，究竟是什么在接触芯片？

在电子设备的散热结构中，导热垫片通常被压紧在芯片封装与散热器之间。对于普通导热硅胶片，其接触方式比较容易理解：柔软的聚合物基体在压力下发生形变，以适应接触面的微观起伏。但换成垂直取向石墨烯导热垫片，情况可能有所不同。

这类材料通过石墨烯片层的取向排列，在垫片厚度方向建立导热通道。不过，内部形成了导热通道，并不意味着这些通道都能与芯片封装或散热器表面充分接触。尤其对于经过复合、切片和表面处理的石墨烯导热垫片，最终参与接触的表面，可能比想象中更复杂。

一、垂直取向之后，石墨烯的哪一部分朝向芯片？

石墨烯具有明显的各向异性，其面内方向与垂直于片层方向的热传导能力存在较大差异。垂直取向结构的设计目的，就是让石墨烯片层的面内方向尽可能与垫片厚度方向一致，使热量能够沿片层传递。

在某些未经表面覆盖的垂直取向结构中，面向芯片的一侧可能暴露出石墨烯片层端部，而不是一整片连续、平整的石墨烯表面。由于片层端部的高度和分布不一定完全一致，接触面可能存在微观起伏。在装配压力下，部分端部先与外部固体表面接触，其他区域则可能仍然留有间隙。

图 1：VAGM 取向结构调控与形貌表征。图中包含结构示意、论文样品照片及论文 SEM 子图；结构示意不属于 SEM。来源：Dai et al.，Nano-Micro Letters，2023，Fig. 1，CC BY 4.0。

但这并不是所有垂直取向石墨烯导热垫片的实际表面形态。要进一步理解商业化复合导热垫片的接触状态，还需要考虑材料如何加工成型。

二、经过切片加工，石墨烯导热垫片的表面会发生什么变化？

部分石墨烯复合导热垫片采用先堆叠、粘接或复合成块体，再沿预定方向切割成片的制造路线。线切割、激光切割等均可用于相关材料的切片加工，具体方式取决于材料结构和工艺要求。

对于采用这类工艺的石墨烯导热垫片，最终接触芯片的表面实际上是经过加工形成的复合材料截面。根据具体结构，表面可能同时存在石墨烯片层截面、聚合物基体以及切割形成的微观起伏，而不一定是大量未经处理、自由伸出的石墨烯端部。

切片完成后，还可以通过研磨或抛光改善表面平整度。不过，切片主要用于获得规定厚度的材料，研磨和抛光则属于进一步的表面修整，两者并不是同一道工序。

需要注意的是，表面加工得平整，并不意味着装配后就能实现充分接触。即使宏观上看不到明显起伏，微观尺度下仍可能存在局部间隙，而石墨烯片层与聚合物基体在表面的分布，也会影响导热垫片受压后的接触状态。

三、表面已经加工平整，为什么仍可能存在接触热阻？

即使芯片封装、散热器和石墨烯导热垫片都经过精密加工，接触面之间仍可能存在微观间隙。实际接触状态不仅受表面粗糙度影响，还与宏观平面度、局部翘曲以及垫片表层的压缩响应有关。在装配压力下，局部高点通常先承担载荷，其余区域能否形成有效接触，还取决于材料适应表面起伏的能力。

对于垂直取向石墨烯复合导热垫片，还需要考虑表层石墨烯结构与聚合物基体如何共同发生形变。如果局部结构难以适应对侧表面的起伏，即使内部已经形成连续的导热通道，热量在进入或离开垫片时仍可能受到接触热阻的限制。

图 2：VAGM 与 LM-VAGM 在粗糙散热表面的接触状态及传热对比。子图 e、h 为界面示意，f、g、i、j 为仿真结果；这些子图并非 SEM。来源：Dai et al.，Nano-Micro Letters，2023，Fig. 4，CC BY 4.0。

改善这一问题，可以从两个方向考虑：一是通过表面加工降低粗糙度，改善接触条件；二是通过柔性复合结构或界面修饰，提高材料对微观起伏的适应能力。

例如，在垂直取向石墨烯表面引入能够填充微观间隙的液态金属界面层，可以增加有效接触面积、降低接触热阻。这是一种已被实验验证的技术路径，但并不意味着商业化石墨烯导热垫片都采用液态金属。对于不同的复合材料，柔性聚合物基体或其他表层材料也可能参与实际接触，其效果需要结合具体结构与使用条件评价。

图 3：从 VAGM 到 LM-VAGM 的液态金属表面修饰与形貌表征。图中包含结构示意、论文样品照片、表面形貌及论文 SEM 子图；结构示意不属于 SEM。来源：Dai et al.，Nano-Micro Letters，2023，Fig. 2，CC BY 4.0。

此外，垂直取向并不等于材料刚性。柔性石墨烯骨架及相应复合结构也可以具有较好的压缩适应能力，不能仅凭石墨烯片层的排列方向判断导热垫片的实际贴合性能。

四、对实际选型有什么意义？

对于垂直取向石墨烯导热垫片，内部取向结构、加工后的表面状态与实际装配条件，需要结合起来评价。

装配压力尤其值得关注。压力不足时，石墨烯导热垫片可能无法充分适应接触面的微观起伏；压力过高，又可能受到芯片封装承载能力、PCB变形及紧固结构的限制。不同产品即使采用相似的取向结构，也可能因表面构成、工作厚度和压缩特性不同，在相同压力下表现出不同的热阻。

因此，在材料选型过程中，应尽量结合实际应用的装配压力、工作厚度和接触表面进行热阻测试。ASTM D5470 提供了稳态热传输性能的测试方法，对于需要分析材料内部与两侧接触热阻贡献的情况，可参考其测试与数据处理思路。但对于导电型石墨烯导热垫片，还应确认标准适用性及具体测试条件。

回到最初的问题：石墨烯导热垫片的表面，究竟是什么在接触芯片？

对于某些垂直取向结构，可能是石墨烯片层端部直接参与接触；而对于经过复合、切片及表面处理的石墨烯导热垫片，实际接触界面也可能包含聚合物基体或其他表层材料。

石墨烯片层的取向排列影响热量在材料内部的传递，而最终加工形成的表面及其受压状态，则影响这些导热通道能否与芯片封装和散热器建立有效、稳定的连接。

参考资料

[1] Dai W. et al. Ultralow Interfacial Thermal Resistance of Graphene Thermal Interface Materials with Surface Metal Liquefaction. Nano-Micro Letters, 2023.

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00979-2

[2] Fu H. et al. High-performance thermal interface materials enabled by vertical alignment of lightweight and soft graphene foams. Nano Research, 2024.

https://doi.org/10.1007/s12274-024-6985-7

[3] 中国专利 CN115092921A，《一种石墨烯导热垫片及其制备方法》。

[4] 中国专利 CN114148044A，《石墨烯复合导热垫片及其制备方法》。

[5] ASTM D5470-17(2024)，热界面材料相关稳态热传输性能测试标准。