上海交通大学鲍华团队：从器件到封装，电子器件热管理材料的全路径透视

转自热知

通讯作者：

Hua Bao（鲍华） — 上海交通大学溥渊未来技术学院；Email: hua.bao@sjtu.edu.cn

第一作者：

Weikang Li（李维康） — 上海交通大学溥渊未来技术学院

其他作者：

Yonglin Xia（夏涌林）、Xinyu Zhang（张新宇）、Zhongyong Wang（王忠勇） — 上海交通大学溥渊未来技术学院

摘要

随着电子器件持续小型化与高集成，局部热流密度已接近500 W·cm⁻²、下一代系统或将突破1000 W·cm⁻²，散热成为性能与可靠性的主要瓶颈。上海交通大学鲍华团队在Advanced Materials发表综述，沿器件内部散热路径系统梳理器件/芯片层级（半导体、金属、介电材料）、微观界面与封装层级（热界面材料TIM）的热输运机制、材料进展与调控策略。综述提出一条共同原则：本征热导率不足以决定材料集成后的热性能——尺寸限域、加工改性、界面与装配条件同样关键，并据此界定了未来高功率密度器件低热阻内部散热路径的材料与界面要求。

文章概况

一、从器件到封装：一条贯穿全链路的散热路径

先进处理器与功率器件的局部热流密度已接近 500 W·cm⁻²，下一代计算与电力电子系统预计将超过 1000 W·cm⁻²。热量若不能及时导出，不仅会降低载流子迁移率、增大漏电流，还会加速老化、缩短寿命——热管理已成为限制器件性能、可靠性与寿命的基础性挑战。

上海交通大学鲍华团队在 Advanced Materials 发表综述，提出以“内部散热路径”为线索的分析框架：从器件层（沟道与互连）、芯片层（衬底与介质）到封装层（TIM 与散热器），逐一审视路径上的材料与界面，识别真正的热瓶颈。这一视角把分散在半导体、金属、介电与封装领域的知识统一到同一条热流通道上。

图1. 典型MOSFET逻辑器件的器件层、芯片层与封装层结构，红色箭头标示内部散热路径。

二、半导体：声子散射决定热导率上限

半导体中热量主要由声子携带，其热导率由四类散射竞争决定：声子-电子、声子-声子、声子-边界与声子-同位素（含缺陷）散射。带隙越大、声子速度越高、声子寿命越长，本征热导率越高——金刚石可达约 2000 W·m⁻¹·K⁻¹，而常见半导体则从数百降到数十 W·m⁻¹·K⁻¹ 量级。

对器件设计而言，关键结论是：高本征热导率并不等于集成后的高热导率。薄膜厚度、晶粒尺寸、界面与工艺损伤都会显著改变有效热导率，因此材料选择必须与尺寸和工艺条件一并考虑。

图2. 四类声子散射过程，以及代表性半导体的带隙与热导率关系。

三、半导体热导调控：同位素、应变、掺杂与缺陷

综述系统梳理了四条调控路径：同位素纯化（如去除 ¹³C 可显著提升金刚石热导率）、应变工程（改变声子谱与群速度）、掺杂（点缺陷散射与声子-电子耦合共同作用）以及局域缺陷工程（在特定区域引入可控散射）。

这些手段的工程意义不同：同位素纯化提升上限但成本高；应变与掺杂可在器件工艺中实现，却往往同时影响电学性能；缺陷工程则适合做“热学隔离”设计。真正可行的是在电学与热学之间找到折中窗口。

图3. 同位素纯化、应变、掺杂与局域缺陷工程对半导体热输运的调控。

四、金属：电子主导，但声子正在改写规则

金属互连与散热金属中，热输运主要由电子承担：表面散射、晶界散射与电子-声子能量交换共同决定有效热导率。随着互连线宽进入纳米尺度，晶界与表面散射占比急剧上升，有效热导率明显低于块体值。

一个值得关注的进展是：在半金属体系中观测到声子主导的强热输运，这打破了“金属导热只靠电子”的固有印象，为设计新一代导热金属打开了新的材料空间。

图4. 多晶金属中电子与声子输运示意，及代表性金属材料的热导率分解。

五、微观界面：声子透射与热边界电阻

跨界面热流由声子透射概率决定：理想化模型给出上限（AMM）与下限（DMM），实际界面往往介于两者之间，并受界面粗糙度、化学键合与中间层影响。界面热阻（TBR）因此成为散热路径上不可忽略的一环。

工程上可通过插入成分梯度过渡层、超晶格界面层来提升声子透射——例如 Si/Ge 界面引入 SiGe 梯度层后，热边界电阻可显著降低，且正反热流方向表现出不同行为，为界面热整流提供了可能。

图5. 微观界面热输运：AMM/DMM模型、Si/Ge界面热边界电阻与过渡层、界面声子态密度。

六、封装层级TIM：三层热阻的博弈

封装层级的主角是热界面材料（TIM）。其总热阻由三部分组成：上接触热阻 Rc1、TIM 本体热阻 RTIM 与下接触热阻 Rc2。商用聚合物基 TIM 的热导率通常只有数 W·m⁻¹·K⁻¹，提升填料含量与取向可提高本体导热，却往往牺牲贴合性、抬高接触热阻。

前沿方案正走向“自适应界面”：液态金属 TIM 本体热导率约 20–40 W·m⁻¹·K⁻¹ 且易贴合粗糙表面；更激进的三层结构以垂直取向石墨烯提供贯通热通路、两侧液态金属层负责接触，实现约 176 W·m⁻¹·K⁻¹ 的跨面热导率与低至 4–6 K·mm²·W⁻¹ 的双面接触热阻。导热与贴合的矛盾，正被材料架构而非单一材料化解。综述强调：本征热导率不足以决定集成后的热性能，路径上的材料与界面必须协同设计。

图6. TIM的结构、热输运与调控：接触热阻三部分、商用TIM热导率与调控策略。

总结与展望

沿器件—芯片—封装三个层级看，半导体、金属、介电材料与各类界面共同决定了内部散热路径的总热阻：半导体受尺寸限域、掺杂、缺陷、应变与界面强烈调制；金属以电子输运为主，半金属中声子主导传热的发现拓展了导热金属的设计空间；微观界面的声子透射与热边界电阻决定了跨界面热流；封装层级则需在TIM的本征导热与界面贴合之间取得平衡。综述强调，只有把路径上所有材料与界面放在一起协同设计，才能真正打通高功率密度器件的低热阻散热通道。

论文信息（点击文末阅读原文可跳转）：

Li, W., Xia, Y., Zhang, X., Wang, Z., Bao, H. A Device-to-Package Perspective on Thermal Management Materials for Electronic Devices. Adv. Mater. (2026). DOI: 10.1002/adma.75567