由于原位石墨裂纹作用，这种固态导热垫具有极低的热阻，适用于高功耗的人工智能芯片

《Matter》：Extremely low thermal resistance in solid-state thermal pad from in situ graphite cracking for high-power artificial intelligence chip

碳基复合材料超声处理技术突破热阻与机械柔性矛盾，开发出1.8 mm2K/W超低热阻石墨基TIM，兼具高导热（460 W/mK）、45%压缩应变及优异热稳定性，可替代液态金属用于AI芯片散热，降低设备制造成本并提升散热性能。

　　

进展与潜力

现代人工智能芯片（例如NVIDIA GPU）会产生超过1200瓦的热量，局部热流密度可达500瓦/平方厘米，因此需要使用总热阻低于1毫开尔文/瓦特的热界面材料（TIMs）来防止过热。现有解决方案存在关键缺陷：硅脂的热阻超过4毫开尔文/瓦特，而液态金属（1毫开尔文/瓦特）则面临氧化和泄漏问题。尽管碳材料具有较高的固有导热性，但基于碳的热垫在导热性和机械柔韧性之间存在根本性的权衡。本研究从根本上解决了这一矛盾，开发出了超低热阻的石墨基热垫，为固态热界面材料开辟了新的方向。最终目标是基于这项研究，开发出导热性能接近碳材料（如石墨烯/石墨烯纸、碳纳米管、金刚石等）固有导热性的复合热界面材料，同时具备优异的压缩柔韧性、变形恢复能力和热稳定性。目前，本研究报道的产品可以替代液态金属，用于高性能游戏笔记本电脑中CPU/GPU的热量散发。与液态金属相比，该产品具有低成本和优异的热稳定性，同时对笔记本电脑制造商的封装技术要求较低，有助于降低整机的生产成本。NVIDIA最新的AI工作站采用了填充有相变材料的微流控通道的铜冷却板。本研究开发的产品可以应用于工作站主板与这些冷却板之间的接口，以提高散热性能。

亮点

• 超声波抛光样品表现出超低的热阻（50 psi压力下为1.8毫开尔文/瓦特）

• 超声波抛光样品的散热性能与液态金属相当

• 该样品的制备方法具有很强的大规模生产可行性

总结

在人工智能时代的高性能计算中，热管理对电子设备至关重要。超低热阻材料对于图形处理单元（GPU）/中央处理单元（CPU）来说至关重要，但在界面电阻、导热性、机械柔韧性和耐用性之间存在权衡。在这里，我们介绍了一种碳-硅复合热垫，其中石墨片层通过两步策略实现垂直排列：首先通过超声波处理形成裂纹，然后进行精密机械抛光。这种方法协同实现了光滑的界面和优异的石墨变形能力，从而从根本上解决了基于碳的热界面材料在体积压缩性和界面接触完整性之间的固有矛盾。优化后的复合材料表现出出色的性能（总热阻为50 psi压力下的1.8毫开尔文/瓦特，体积导热性超过460瓦/开尔文），高压缩性（50 psi压力下压缩率为45%），以及良好的热循环稳定性。我们的发现为下一代热界面材料的发展开辟了一条变革性的途径，为高效能的人工智能硬件开发提供了关键支持。

图形摘要