万字详解界面材料

电子元器件性能不断提高，集成电路封装密度随之提高，这导致电子元器件工作能耗和发热量迅速增大。高温会对电子元器件的性能稳定性、安全可靠性和使用寿命产生不利影响，如高温会产生热应力，严重时会造成电路连接处的损坏，增加导体电阻，影响产品功能。因此确保电子元器件所产生的热量能够及时排出，己经成为集成电路产品系统封装的一个重要研究课题，而对于集成度和封装密度都较高的便携式电子产品（如笔记本电脑等）及内部发热量较大的功率器件模块而言，散热甚至成为了整个产品的技术瓶颈。简单地依靠电子芯片与封装外壳之间固体界面的机械接触，已然不能实现热量的快速有效传导。

在集成电路领域，随着对集成电路芯片、电子元器件乃至系统功率耗散研究的深入，一门新兴学科——热管理（Thermal Management）逐步发展起来，热管理学科专门研究各种电子设备的安全散热方式、散热装置及所使用的材料。当前中央处理器、通信电子、电动汽车、高铁、电网等应用的核心部件都是高功率密度电子元器件，其散热问题日益成为限制其功率密度和可靠性提高的瓶颈。

热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），一般也称为导热界面材料和界面导热材料，是一种广泛应用于集成电路封装热管理的材料。在系统结构中，两种异质材料的接触界面或结合界面会产生微空隙、界面表面会有凹凸不平的孔洞等几何缺陷，TIM可以填充这些空隙及孔洞，减小传热的接触热阻，达到提高电子元器件的散热性能的目的。    

热界面材料一般由弹性体材料混合填充导热填料制成，是基于高分子（大分子）的复合材料。

一、热界面材料在先进封装中的应用

事实上，肉眼看起来非常平滑的固体表面在纳米尺寸下非常不规整，呈现出波浪般的形貌，上面有许许多多纳米尺寸的“山峰”和“山谷”，通常用微观表面粗糙度来表征这一现象。

由于存在纳米尺寸的“山峰”和“山谷”，因此电子芯片与芯片封装外壳之间固体界面的实际机械接触面积非常小，固体表面的大部分区域是被空气隔开的。由于空气的热导率较低，只有0.024W/（m·K），因此器件与散热组件的接触热阻较大，不易将热量排散到外界。

如果能在这些空隙中填充高导热性的热界面材料，排出低导热性的空气，建立电子元器件与散热组件之间的热传导通道，就可以有效降低接触热阻，这对整个元器件的散热起到极大的促进作用。热界面材料的工作原理及分类如图1所示。    

图1　热界面材料的工作原理及分类

根据在电子元器件中所处的位置，热界面材料可以分为TIM1和TIM2。

TIM1又称一级TIM，是芯片与封装外壳之间的热界面材料，因为与发热量极大的芯片直接接触，所以TIM1材料要求具有低热阻和高热导率，热膨胀系数也需要和硅片相匹配。

TIM2又称二级TIM，是封装外壳与热沉之间的热界面材料。

相对而言，TIM2的要求较TIM1要低。TIM1需要具备电绝缘的性能，以防止电子元器件的短路，一般多为聚合物基复合材料；TIM2在结构上已经远离芯片，因此没有电绝缘性能的要求，一般多为碳基热界面材料。

不同种类的热界面材料有不同的应用。

首先，高热导率是选择热界面材料的初始考量参数。

其次，由于热界面材料填充固体表面纳米尺寸的“山峰”和“山谷”的能力对传热性能有非常重要的影响，因此在选择材料时需要考虑良好的黏接性能及浸润性能。    

对于某些热界面材料，如热脂、相变材料、高分子复合材料等，由于它们在某些使用条件下是以液相存在的，因此需要考虑它们在液相情况下的流变性能（如剪切黏度和触变性）及相变温度等。

热界面材料使用的温度范围是非常重要的，其使用的温度范围通常是由使用环境中电子元器件的工作温度决定的，应大于电子元器件的工作温度范围。同时，需要保证热界面材料在电子元器件工作的温度范围内具有好的稳定性和高的可靠性。

除以上的这些需要重点考虑的性能参数外，在某些情况下，还可以考虑在使用热界面材料时施加一定的压力，以降低接触热阻；热界面材料在使用时，空气应能非常容易地从热界面材料中逸出；热界面材料与固体界面的黏接力学性能，以及易返修性能等。

对于TIM1，其主流产品一般是采用高导热性粉体填充于含硅或非硅聚合物液体或相变聚合物中，形成浆状、泥状、膏状或薄膜状的复合材料（如导热膏、导热胶、相变材料等）。目前报道的此类热界面材料的热导率低于10W/（m·K），界面热阻大于0.05K·cm2/W，而商业化产品的热导率一般低于6W/（m·K），界面热阻大于0.1K·cm2/W，不能满足高功率密度电子元器件散热要求。

采用新型阵列式填料，如碳纳米管、石墨烯、金属纳米线等，与高分子聚合物复合，其热导率可达数百W/（m·K），并且材料可以多次重复使用，但缺点是热阻偏高，且绝缘性差，在一定程度上限制了其应用范围。

该类热界面材料一般分为导电和非导电两种类型，分别适合不同的应用场合。高压、高功率电子元器件的散热一般要求热界面材料在具有高导热性、低热阻的同时满足绝缘的要求，以避免工作时电击穿、信号衰减等情况的发生。    

对于TIM2，常用的材料包括石墨片、金刚石等碳基高导热性材料，石墨片或金刚石的热导率可达1000～2000W/（m·K）。有报道称虽然单层石墨烯横向热导率可达5000W/（m·K），但当其附着于基板上时，其热导率会降低到约600W/（m·K），从而大大限制了该材料的散热效果，因此有必要研究碳材料与基板间的传热机理，提高横向热界面材料的整体热导率。

热界面材料广泛应用于各工业领域，如计算机、消费类设备、电信基础设施、发光二极管照明产品、可再生能源、汽车、军事/工业设备和医疗设备等。其中发光二极管、薄膜光伏、消费和医疗设备领域增长速度最快，这是在一些高温应用环境中，对相变热界面材料、金属热界面材料等新技术的开发引领导致的。

现阶段，高科技制造业在亚太地区的销量增长最快，热界面材料的生产主要由两个大型企业主导：汉高（Henkel）和固美丽（Parker-Chomerics），二者共同占据了大约一半的市场份额。

目前国外热界面材料供应商主要有汉高、固美丽、莱尔德科技（Laird Technologies）、贝格斯（BERGQUIST，2014年被汉高收购）、陶氏化学（Dow Chemical）、日本信越（ShinEtsu）、富士电机（Fuji Electric）等。莱尔德科技、贝格斯产品线配置齐全；固美丽主要做相变材料；富士电机侧重于模组应用，产品热导率高；陶氏化学主要做导热硅脂。总体而言，国外供应商的热界面材料产品技术成熟，产业规模及产能大，几乎垄断了高端产品市场。    

国内热界面材料供应商主要有烟台德邦科技有限公司（简称德邦）、深圳傲川科技有限公司（简称傲川）、浙江三元电子科技有限公司（简称三元电子）、依美集团（简称依美）等，技术及产品目前仍处于初级发展阶段，而且产品各有侧重。

二、热界面材料类别和材料特性

热界面材料的种类繁多，分类方式有很多种，一般按照导电性可将其分为绝缘型热界面材料和导电型热界面材料；按照组成可将其分为单组份热界面材料和双组份热界面材料；按照构成成分可将其分为有机型热界面材料、无机型热界面材料和金属型热界面材料；按照其特性差异及发展可分为导热膏、导热垫片、相变材料、导热凝胶、导热灌封胶及导热胶带和黏接剂等。导热膏、导热垫片、相变材料的市场产量较高，应用比较广泛。常用的热界面材料如图2所示，热界面材料分类如图3所示。典型热界面材料及其特性如表1所示。    

图2常用的热界面材料

图3热界面材料分类

表1　典型热界面材料及其特性    

1、导热膏

导热膏又称导热硅脂（Thermal Grease），是一种传统的散热材料，界面热阻为0.2～1.0 K·cm2/W。导热膏呈液态或膏状，具有一定的流动性，在一定压强（一般为100～400Pa）下可以在两个固体表面间形成一层很薄的膜，能极大地降低两个异质表面间的界面热阻。

导热膏对产生热量的电子元器件和电子装置提供了极佳的导热效果，具有广泛的适应性，可用于微波通信、微波传输设备、微波专用电源等各种微波器件及晶体管、中央处理器、热敏电阻、温度传感器等。图4所示为辅助中央处理器散热的导热膏。除可以导热外，导热膏还能起到防潮、防尘、减震等作用。

图4　辅助中央处理器散热的导热膏    

导热膏常用的基体材料为聚二甲基硅氧烷和多元醇酯。导热填料主要为AlN或ZnO，也可选用BN、Al2O3、SiC或银、石墨、铝粉及金刚石粉末。导热膏工艺操作简单，且不需要固化，成本较低。在使用前，首先通过静置、加压或真空排泡等去除导热膏中夹带的少量空气，然后将被涂覆元器件表面擦洗干净至无杂质，接着用刮刀、刷子等工具直接涂覆导热膏即可。

导热膏是目前市场份额最大的热界面材料，在各类传统热界面材料中的热导率较高；在使用过程中只需要很小的扣合压力，就能产生非常好的导热效果；与基材的润湿性好，有利于空气的排出，达到提高整个体系导热性的目的。

但导热膏存在一些问题，导热膏具有流动性，在应用的过程中容易溢出工作区域污染电子元器件，且不易清洁，对使用者亲和力差；在多次温度循环后基体材料容易出现分离，出现“溢油”现象，易随时间干涸等。

2、导热垫片

导热垫片又称导热硅胶片、导热硅胶垫、电绝缘导热片或软性散热垫等，通常是以硅橡胶为高分子聚合物基体，以高导热性的无机体颗粒为填料合成的片状热界面材料。导热垫片主要应用于填充发热元器件和散热片或金属底座之间的空隙，完成两者之间的热传递，同时起到减震、绝缘、密封等作用，如图5所示。导热垫片能够满足设备小型化、超薄化的设计要求，是具有良好工艺性和使用性的新材料，被广泛应用于电子元器件中。    

图5　电子元器件中的导热垫片

在材料组成方面，高分子聚合物基体以有机硅聚合物为主，有机硅特殊的分子结构使其具备优异的性能，如在高温下介电性能比较稳定、耐氧化、绝缘性好、耐水阻燃，同时具有易加工的特点。导热填料的种类与导热膏相似，多为氮化物（如AlN、BN）或金属氧化物（如ZnO、Al2O3），导热填料的填充量及配比等会影响导热垫片的热导率。如果有些应用对绝缘性的要求不高，那么在导热垫片中可以多添加一些高导热性、非绝缘的填料，这样导热垫片可以获得更高的热导率。

一般来说，导热垫片需要具备如下性能。

（1）良好的弹性，能适应压力变化，不因压力或紧固力造成损伤。

（2）柔韧性好，与两个接触面均能很好地贴合。

（3）不污染工艺介质。    

（4）在低温时不硬化，收缩量小。

（5）加工性能好，安装、压紧方便。

（6）不黏接密封面，拆卸容易。

（7）价格便宜，使用寿命长。

导热垫片具有优良的热导率、柔韧性、弹性等特征，能够用于覆盖不平整的固体表面，使电子元器件和散热片之间的空气完全排除，从而充分接触实现热量传导，是导热膏的替代产品。导热垫片工艺厚度可以自由裁剪，范围从0.5～5mm不等，每0.5mm一级，即0.5mm、1mm、1.5mm、2mm，一直到5mm，特殊要求可增至15mm，有利于自动化生产和产品维护。

导热垫片在使用中存在的问题是，随着时间的推移和温度的升高，发热元器件热量逐渐积累，导热垫片会发生蠕变、应力松弛等现象，导致机械强度降低，影响互连界面密封性。

3、相变材料

相变材料在通常状态下为薄膜片状固态，在超过一定温度时会吸热熔融成为液态，可充分润湿热传递界面，加强传热，当温度下降后，恢复为固态。相变材料实物图如图6所示。    

图6　相变材料实物图

相变材料的工作原理如图7所示。相变材料利用固-液相变特性，通过填充物的改性来提高热传导特性，实现热管理功能。    

图7　相变材料的工作原理

相变材料结合了导热膏和导热垫片各自的优点：电子元器件在刚开始运行时温度比较低，低于相变材料的熔点，此时相变材料为与导热垫片相似的固态，具有良好的弹性和恢复性，装配容易且不会出现被挤出的现象。随着发热元器件的工作运行，温度迅速升高，当超过相变材料的熔点时，相变材料开始熔融，由固态变为可流动状态，从而浸润部件与热沉（或电路卡组件）之间的界面，像导电膏一样尽可能地填充所有空隙，进而减少材料界面间的接触热阻。浸润之后，发热元器件恢复到正常工作温度，相变材料恢复固态。图8所示为相变材料温度随时间变化的曲线。    

图8　相变材料温度随时间变化的曲线

此外，相变材料具有能量缓冲的效果，通过相变过程中的热量吸收或释放，额外增加热耗散的路径，有利于余热的传播和扩散，防止温度急剧上升，元器件的工作温度得到缓解，从而延长使用寿命。

相变材料及其载体材料的总热导率主要取决于载体材料的热导率。根据载体材料的不同，相变材料可分为以下两大类。

（1）有机相变材料，或者称高分子相变材料。这类材料主要是指熔融温度在50～80℃的热塑性树脂，如石蜡、酯类、醇类等有机物，具有性能稳定，成本低等优点，但由于是高分子聚合物基体（如玻璃纤维或聚酰亚胺），导热性不佳，因此需要添加高导热性的填料才可以使用。有机相变材料的浸润性不如导热膏，多次循环使用后会发生不能有效填充界面空隙的问题。    

（2）无机相变材料，主要包含合金和熔融盐等，由于金属本身（如铝）具有高的导热性，因此并不需要导热填料的加入，但是这类相变材料容易被氧化与腐蚀，填充界面空隙的能力较差。

相变材料的介电强度取决于载体材料的性质及厚度，如当聚酰亚胺载体的厚度为25.4μm时，相变材料的耐压为3900V。由于载体材料化学组成不同，因此相变材料的熔点可以进行调整变化，常见的商用相变材料的相变温度范围在48～130℃之间。

目前常用的有机相变材料有一些不足。例如，热导率及接触热阻比导热膏差；相变材料在由液态转变成固态时，会释放出之前存储的热量从而产生热应力，这会对导热性产生不利影响；相变材料在相变时容易发生相分离，填料颗粒与相变材料基体分离，从而影响使用性能，其稳定性和工艺重现性较差。这时通常可以采用以下方案来解决。

（1）采用导热强化的微胶囊封装技术，该技术不仅能提高有机相变材料的导热性，还能提高材料的稳定性，有效地防止相变过程的相分离。

（2）在有机相变材料中混合添加一些高导热性的填料，如石墨烯。

4、导热凝胶

导热凝胶又称导热弹性胶，是一种凝胶状的导热材料，通常是在具有较好弹性或塑性的基体（如硅胶、石蜡）中添加具有高热导率的颗粒，并经过固化交联反应制造而成的。导热凝胶的热导率为3～4 W/（m·K），在施加较大压力的情况下，厚度可以达到0.1mm，界面热阻可以低至0.8K·cm2/W。    

导热凝胶具有良好的弹性和变形性，在施加一定压力的情况下，能更紧密地与固体表面结合，更好地顺应固体表面的粗糙度而填充空隙，进而排挤出两个异质界面之间的空气，达到降低热阻的目的。

与导热膏相比，导热凝胶在使用时不存在溢出或相分离的情况，也不会污染电路板和环境，使用和处理都很方便。与导热垫片相比，导热凝胶材质更加柔软，表面亲和性更强，由于几乎没有硬度，因此装配应力较小，有效地提高了元器件的稳定性。

导热凝胶的缺点是需要增加固化交联反应步骤，其热导率比导热膏低。另外，导热凝胶与固体表面是通过力的作用接触在一起的，相互之间的黏接强度较弱，如果压力达不到要求，那么导热凝胶很难填充满界面之间的空隙，不能实现有效的散热效果。导热凝胶实物图如图9所示。    

图9　导热凝胶实物图

5、导热胶带

导热胶带主要用作散热元器件的贴合材料，具有高导热性、绝缘、固定的功能，兼有柔软、服帖、强黏等特性。导热胶带与普通胶带或双面胶大致相同，是在聚酰亚胺膜、金属箔带等支撑材料单面或双面涂覆导热胶的胶带。

导热胶带操作方便，相比其他液态的导电膏等，显著简化了工艺，而且能适应接触面的不规则形状，不会溢出污染元器件，稳固性比较好，不会轻易移动。但导热胶带中填充的导热颗粒数量有限，热导率相对较低，热导率通常为1～2 W/（m·K），仅应用于黏接，更加适用于小功率元器件。导热胶带实物图如图10所示。    

图10　导热胶带实物图

6、导热灌封胶

灌封是指按照要求把构成电子元器件的各个组分合理组装、键合、与环境隔离和保护等封装操作，可起到防尘、防潮、防震的作用，可延长电子元器件的使用寿命。随着电子领域中高密度封装技术的迅速发展，对灌封材料提出了更高的要求。

导热灌封胶是在普通灌封胶基础上添加导热填料形成的，如二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼等，不同的导热填料可得到不同的热导率，普通热导率可以达到0.6～2.0W/（m·K），高热导率可以达到4.0W/（m·K）及以上。导热灌封胶的固化速度与温度有关，可以在室温下固化，如果加热，那么固化速度会更快。    

导热灌封胶的优点在于黏度低、流平性好、抗冲击性好、附着力强、绝缘、防潮、耐化学腐蚀性好；缺点是需要配胶、有操作时间限制、内应力较高。导热灌封胶实物图如图11所示。

图11　导热灌封胶实物图

三、新技术与材料发展

随着集成电路产品对热管理的要求越来越高，热界面材料的性能随之发展提高。现阶段热导率在3W/（m·K）以下的产品占有绝大部分市场，但随着产品的不断升级提高及新原料的开发应用，市场对产品热导率的要求将会越来越高。    

不同行业对导热产品性能的需求不同，对于小体积的笔记本电脑、日用小家电等行业，现有材料能够满足性能要求；对于大体积的网络通信、新能源行业，现有材料需要进一步提高性能。

现阶段国外热界面材料的技术比较成熟，产品已经系列化、产业化，市场占有率高，产品随着技术进步不断更新换代，已经全面实现了规模化生产；而国内热界面材料的技术尚不成熟，产品多为中低端产品，还在提高热导率方面进行一些试验验证工作，多数研发中的高热导率的产品，产品硬度很高，柔韧性很差，与国外产品的差距比较明显。

热界面材料未来一定是向着高导热性、高稳定性的方向发展的。在这方面，国内企业面临很多机遇和挑战，一方面需要在现有材料制造方面进一步提高技术水平，在新材料的开发与应用方面继续寻求技术突破；另一方面需要与终端客户一起合作，面向客户需求进行产品开发与升级。

目前存在于市场中的热界面材料多种多样，在测试方法、协议和报告标准等尚未实现标准化的背景下，各种材料的性能差异很大。对于集成电路与封装的设计人员来说，如何选择一种合适的热界面材料是一项非常重要的任务，从功能方面考虑，主要的重点是材料的热导率的选择。热导率的高低主要取决于热界面材料中填料的传热特性，具体影响因素包括填料的容积比、类型及填充颗粒的尺寸、形状和规格。一般情况下，填料含量越多，热界面材料的传热特性越好；填充颗粒越小，热界面材料的热阻越低。    

由于高性能芯片的制造长期被国外公司垄断，因此比较靠近芯片的热界面材料以前很少被国内关注。近年来，随着国内集成电路制造技术的提升，国内集成电路材料企业逐步开始投入对热界面材料的研究，然而与国外相比，仍然存在一定的差距。由于封装测试产业整体向亚洲特别是中国转移的发展趋势及国内终端用户对高性能芯片的发展需求，因此集成电路热界面材料产业逐步受到国内相关行业的重视，相应的产业将逐步建立起来。

图12所示为热界面材料技术发展路线图，高导热性、低热阻、高可靠性及低成本的热界面材料将是热界面材料主要的发展方向，热导率将从现阶段的3W/（m·K）向10W/（m·K）甚至更高水平发展，具体的实现方式从主要依靠填料技术向纳米技术过渡，但在发展过程中还面临很多工艺上的挑战。从提升热导率的角度考虑，目前新材料的开发主要集中在填料技术和纳米技术在热界面材料中的应用上。

图12　热界面材料技术发展路线图

1、填料技术在热界面材料中的应用

热界面材料是一种具有高导热性的高分子聚合物材料。近年来，高分子聚合物材料的应用领域不断扩大，这是因为高分子聚合物材料结构层次丰富，可以通过控制和改性结构单元，获得各种不同的材料特性，且易于加工。但是一般的高分子聚合物材料的热导率比较低（＜0.5W/（m·K）），属于热的不良导体。表2列出了常见高分子聚合物基体的热导率。制造高导热性且综合性能好的聚合物热界面材料受到越来越多的关注，成为散热领域的研究重点。

表2　常见高分子聚合物基体的热导率

热界面材料其实可以看作高分子聚合物材料和导热填料的复合产物。高分子聚合物材料具有低密度、电绝缘和良好加工性等特点，制得的导热聚合物能很好地结合这些优异物理性能。填充型导热聚合物材料是以高分子聚合物材料为基体，填充各种微米、纳米尺寸导热填料的热界面材料。填充型导热聚合物材料成本较低，制造容易实现，将占据主要的市场地位，成为产业发展的主要方向。目前国内外导热聚合物材料的研究主要集中在填充型导热聚合物材料方向，表3列出了常见导热填料的热导率。导热填料主要可以分为金属填料、陶瓷填料、碳类填料、混合填料（或称杂化填料）、定向排列填料等。    

表3　常见导热填料的热导率

（1）金属填料，如Cu、Ag、Au、Al等。金属填料具有热导率优良、加工性能好、热膨胀系数低的优点，是热界面材料中常见的导热填料。有研究通过制造高度取向的Ag导热网络获得了热导率的极大提高。此外，连续金属基热界面材料、液态金属填料、金属纳米线是近年来研究的热点。在相同填料占比下，Cu纳米线比Ag纳米线表现出更优异的导热增强效果。液态金属填料主要成分为金属镓（Ga）及其合金，具有低熔点、低界面热阻、芯片润湿性好的优点，缺点是容易溢出。

（2）陶瓷填料，如氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）等。陶瓷填料都具有非常高的热导率，成为热管理研究中热门的研究对象。陶瓷填料具有优异的电绝缘性能，特别适合要求电绝缘的工作环境。    

（3）碳类填料，从石墨、金刚石到碳纳米管、石墨烯这类碳纳米材料，都应用于热界面材料的填料研究。柔性石墨又称膨胀石墨，由于结构决定性质，柔性石墨和天然石墨的结构相同，因此柔性石墨的性质和普通石墨相同。采用多层高质量石墨作为热界面材料，可望具有更好的散热性能。

松下（Panasonic）开发的柔性热解石墨膜（Pyrolytic Graphite Sheet，PGS）已经实现大规模量产，该石墨膜由石墨片和高导热性树脂复合，热导率可达700～1950W/（m·K），柔软易加工，仅需粘贴膜状产品即可起到散热效果，该产品外观及基本结构如图13所示。

图13　PGS

2、纳米技术在热界面材料中的应用

碳纳米材料的出现，为热界面材料提供了一种新的应用方案。研究表明，碳纳米颗粒具有高的热导率，单层石墨烯的热导率高达5000W/（m·K），单根碳纳米管的热导率高达600～3000W/（m·K）。但碳纳米材料本身的支撑强度差，在使用过程中容易变形，且在水平方向上热导率过低，因此碳纳米材料多作为填料掺在普通热界面材料中，以提高热界面材料的导热性，目前可以作为填料的碳纳米材料主要包括碳纳米管、石墨烯等。    

1）碳纳米管

碳纳米管以碳原子六角网面为单元构成准一维结构，具有极高的热导率。研究表明，碳纳米管垂直阵列更能满足热界面材料高导热性、低界面热阻的应用需求。

相比传统的热界面材料，碳纳米管垂直阵列具有以下优势：碳纳米管垂直阵列在单一方向即阵列取向的Z方向具有高热导性、热导率各向异性、径向面内低热膨胀系数、可适应接触面粗糙度并高度可控、不会损伤元器件表面、不会污染元器件、轻质、抗老化、抗氧化等特点。

碳纳米管垂直阵列是目前能够适应不断提高的芯片功耗的最佳热界面材料。通过调整碳纳米管垂直阵列的制造参数、改善与其接触面手段等方式，降低整体热阻，可以满足现有或未来高功率电子元器件散热的要求。

有研究使用金属键合层及铟焊料将碳纳米管垂直阵列（Vertical Aligned Carbon Nanotube array，VACNT）转移到金属生长基板上以固定碳纳米管垂直阵列，随后将它们从生长基板上剥离，测得碳纳米管垂直阵列尖端界面热阻约为0.3K·cm2/W，比未键合的界面低了一个数量级，表明形成了高质量的金属键，如图14所示。    

图14　应用于热界面材料的碳纳米管垂直阵列

2）石墨烯

石墨烯即单层石墨，其导热性优异，可以广泛应用于各种类型的热界面材料，如作为填料用于导热膏、导热垫片、相变材料等，有助于缓解热界面问题中的“热点”问题。

石墨烯在热导率方面有各向异性的特点，即在平面内不同方向上热导率的大小出现明显差异。有研究进行了铜和石墨烯的复合电沉积分析实验，采用光学显微镜和电子显微镜（SEM）观察样品及背散射电子实验进行元素成分分析，得到铜和石墨烯的复合电沉积是可行的，复合材料的电导率总体与纯铜材料相当，且平均值要略好于纯铜材料，而且复合材料的热膨胀系数及热导率较纯铜材料有一定程度的改善。但是如何大规模制造热导率高、稳定性好、和基质相容的石墨烯仍然是今后的研究重点和难点。石墨烯和铜复合电镀材料如图15所示。    

图15　石墨烯和铜复合电镀材料

来源：王谦，《集成电路先进封装材料》，电子工业出版社，2021年9月，版权归原作者所有

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