随着集成电路持续向纳米尺度发展，芯片功率密度和局部热流密度不断升高，散热问题已成为制约电子器件运行速度、稳定性和服役寿命的关键因素。在芯片与热沉、热扩散器等部件之间，实际接触表面不可避免地存在微米甚至纳米尺度的粗糙结构和空隙，这些界面缺陷会显著增加接触热阻，限制热量从芯片向外部散热系统的传递。热界面材料（thermal interface materials, TIMs）正是为填充这些微小间隙、改善界面热传输而设计的功能材料。近年来，随着5G通信、高功率芯片、LED器件和柔性电子的发展，TIMs不再只需要“导热率高”，还必须同时满足低界面热阻、低键合层厚度、良好柔顺性、电绝缘性、长期可靠性和制造兼容性等多重要求。针对这一重要方向，北京化工大学卢咏来和北京林业大学李京超团队联合发表综述论文，系统总结了低热阻TIMs的设计策略，并围绕高导热取向网络、超薄键合层厚度和接触热阻最小化三条路径进行了深入梳理。

图1. 低总热阻（Rt）的TIMs的机理和制造方法。

TIMs性能不是单一导热率决定，而是κ (Thermal Conductivity，热导率）、BLT（Bond Line Thickness，键合层厚度）与Rc（Contact Thermal Resistance，接触热阻）协同控制：文章首先从热传输基本原理出发，指出TIMs的总热阻并不只由材料本征热导率决定，而是由体相热阻和接触热阻共同构成。其中，体相热阻主要受热导率κ和键合层厚度（bond line thickness, BLT）控制；在相同热导率下，BLT越薄，体相热阻通常越低。接触热阻则来源于TIMs与芯片、热沉等固体表面之间真实接触面积不足。当界面存在粗糙峰谷、微孔或干接触区域时，即使材料本身具有较高热导率，实际热流仍可能受到严重阻碍。因此，单纯追求高κ并不一定带来低总热阻。高填料含量或高度取向结构虽然能够提高热导率，但往往也会增加材料黏度和模量，削弱润湿性和界面柔顺性，反而可能扩大微空隙并提高接触热阻。文章据此强调，理想TIMs设计必须将κ、BLT和Rc作为相互耦合的变量进行协同优化，而不是孤立地提升某一个性能指标。

构筑取向高导热网络提升声子传输效率：在高导热网络设计方面，文章系统归纳了电场/磁场取向、热压诱导取向、挤出取向、刮刀涂布、模板法、真空过滤和化学气相沉积等多类结构构筑策略。这些方法的共同目标，是将氮化硼、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等高导热填料从无规分散状态转变为有序、连续或三维互联的热传输网络，从而降低填料之间的声子散射并提高定向热导率。例如，电场或磁场取向能够在较低填料含量下形成连续的垂直传热通道；热压、挤出和刮刀涂布则更适合大面积、连续化制造；模板法和真空过滤可预先构建多尺度取向骨架，在较低填料含量下实现较高热导率；CVD方法则能够直接生长垂直石墨烯或石墨烯纳米墙，形成高度连续的共价连接热通路。文章同时指出，不同工艺各有边界条件：场辅助取向和CVD可获得较高结构有序度，但设备复杂、成本较高；挤出和刮刀涂布适合规模化生产，但容易出现取向梯度；模板法和真空过滤有利于构建精细网络，但多步工艺和批次一致性仍是限制因素。因此，高导热网络的工程应用不能只看实验室最高导热率，还需要综合考虑制造效率、界面柔顺性和长期可靠性。

超薄BLT与低接触热阻是降低总热阻的关键抓手：除了提升导热率，文章进一步强调了超薄键合层厚度和接触热阻调控的重要性。根据体相热阻与BLT近似成正比的关系，降低BLT是减少TIMs内部热阻的直接方法。热脂、触变性复合物以及液态金属改性体系可在装配压力下铺展并润湿界面，将BLT限制在微米尺度，从而显著降低体相热阻。然而，BLT并非越薄越好。当界面层过薄时，表面粗糙度和间隙不均匀性的影响会被放大，容易产生微孔、干接触和局部应力集中，导致接触热阻上升并削弱热循环寿命。因此，低BLT设计必须与良好润湿性、适当触变行为和抗老化稳定性相匹配。在接触热阻调控方面，液态金属和相变材料是文章重点讨论的两类代表体系。液态金属具有高热导率、低黏度和自适应填充能力，可将原本离散的点接触转化为连续面接触，从而降低界面空隙和Rc；相变材料则可在加热后软化或熔融，主动适应界面粗糙结构，提高真实接触面积。与此同时，这些体系也面临液态金属电迁移、腐蚀、泄漏以及相变材料渗漏、相分离和形状稳定性不足等问题，需要通过表面改性、封装结构和复合网络设计加以解决。

发展挑战与未来方向：总体来看，这篇综述的重要意义在于，它将低热阻TIMs的设计逻辑从“提高热导率”拓展为“高κ网络—低BLT—低Rc界面”的协同优化框架。文章指出，下一代TIMs的竞争力将取决于多目标平衡：一方面，需要通过各向异性导热网络在中等填料含量下实现高效定向传热；另一方面，需要保持足够的界面柔顺性和润湿能力，使材料能够在实际装配压力下充分填充粗糙界面。同时，动态共价键、配位作用、氢键和自修复结构等可逆界面化学，有望增强界面声子耦合、提高黏附强度并改善热循环可靠性。未来研究还应进一步发展可连续制造的刮刀涂布、挤出和在线反馈控制工艺，推动低温或无催化CVD在柔性基底上的直接生长；同时构建可重复使用的vitrimer热界面材料、形状稳定相变材料和受限液态金属界面层，实现低残留拆解与性能恢复。面向5G通信、高功率芯片和柔性电子等应用场景，低热阻TIMs的发展将不再是单一材料性能的竞赛，而是材料结构、界面行为、装配条件和制造工艺的系统协同设计。

卢咏来，北京化工大学教授，博士生导师。2006年入选北京市科技新星，2012年入选教育部新世纪优秀人才，2020年获得国家级人才项目。主要研究方向为高分子导热热管理材料、特种/新概念轮胎技术、特种功能弹性体材料、低碳高分子防水材料。作为负责人承担国家级、省部级重点项目10余项，获得国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项，获首都劳动奖章。

李京超，北京林业大学材料学院副教授，入选北京市“高创计划”青年人才托举工程。主要从事导热高分子复合材料领域研究工作，主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等9项，共计发表科研论文40余篇，其中以第一/通讯作者在Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials，ACS nano，Nano Letters等期刊发表SCI论文25篇，授权发明专利20余项，实现科技成果转化5项。

杨浚哲，北京化工大学在读博士研究生。

【原文信息】

Junzhe Yang, Zhaoyu Lu, Junyan Wang, Haiyang Liu, Haoxiang Li, Jingchao Li*, Yonglai Lu*

Designs for low-thermal-resistance thermal interface materials: Oriented high-conductivity networks, ultra-thin bond lines thickness and contact-resistance minimization

Advanced Nanocomposites, 2026, 3: 133-148.

https://doi.org/10.1016/j.adna.2026.01.003

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