双向高导热石墨膜获突破，为5G芯片、功率半导体热管理提供技术支撑

随着电子器件向高性能、小型化发展，芯片功率密度提升带来的热管理问题成为制约器件稳定性的关键瓶颈。碳基高导热材料在面内热导率超过1500 W/m·K时，面外热导率普遍低于8 W/m·K，甚至只有4-5 W/m·K，难以满足高功率器件三维热传导需求。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧、何朋团队联合宁波大学王刚团队在《Advanced Functional Materials》发表研究，提出以芳纶膜为前驱体通过高温石墨化工艺制备低缺陷、大晶粒、高取向的双向高导热石墨膜，在膜厚度达到40微米的情况下实现面内热导率K(in)达到1754 W/m·K，面外热导率K(out)突破14.2 W/m·K。

图1. 双向高导热石墨膜的导热性能及其在电子热管理中的应用

传统石墨膜制备以氧化石墨烯或聚酰亚胺为原料，面临气体逸散导致的结构缺陷难题。该研究提出选用芳纶膜作为前驱体，利用其低氧含量（~11%）和氮掺杂特性（氮含量~9%），在3000 ℃高温处理时实现缺陷自修复、晶粒定向生长及气体逸散优化。芳纶中氮原子促进晶格缺陷修复，退火后双向高导热石墨膜缺陷指标I(D)/I(G)低至0.008；芳纶分子中有序苯环为石墨晶格提供生长模板，使面内晶粒尺寸（L(a)）达2179 nm、面外有序堆叠尺寸（L(c)）达53 nm。

双向高导热石墨膜通过结构调控展现出优异的双向导热性能：面内热导率1754 W/m·K，较同条件下氧化石墨烯衍生膜提升17%；面外热导率14.2 W/m·K，提升118%，突破碳基薄膜面外热导率瓶颈；乱层堆垛比例仅1.6%，接近理想石墨AB堆叠结构。

与传统导热膜相比，双向高导热石墨膜在面内和面外热导率及缺陷控制上均表现出显著优势。在智能手机散热模拟中，搭载双向高导热石墨膜的芯片表面最高温度从52 ℃降至45 ℃；在2000 W/cm²热流密度的高功率芯片散热中，AGFs使芯片表面温差从50 ℃降至9 ℃，实现快速温度均匀化。

图2. 双向高导热石墨膜制备机制示意图

该研究揭示了芳纶前驱体在石墨膜制备中的独特优势，证明了氮掺杂与低氧含量前驱体可提升石墨膜结晶质量和双向导热特性，其双向导热性能突破可为5G芯片、功率半导体等高功率器件热管理提供关键材料和技术支撑。

相关成果以“Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics”为题发表于Advanced Functional Materials. 2025, 2425824. （https://doi.org/10.1002/adfm.202425824），论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生郑豪龙、杨舒景，研究获国家自然科学基金等项目支持。

值得一提的是，此前中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧研究员、何朋等研究人员在《Small》期刊发表名为“Ultra-Thick Graphene Films with High Thermal Conductivity Through a Non-Stacking Strategy”的论文。

该研究提出了一种用于制造单片厚石墨烯的新型非堆叠策略。通过利用超小尺寸的氧化石墨烯浆料、引入多线剪切以及使用专门设计的框架，成功制备出稳定且高度定向的厚膜。这些厚膜消除了界面缺陷，与传统的多层堆叠方法相比，当 d 超过 300 µm 时，单片 GF 的 K 值超过 1600 W m-1 K-1（提高了 17.03%）。虽然代表薄膜传热能力的 K × d 值提高了 21.34% 至 0.544 W K-1，但芯片的工作温度却进一步降低了 3.3 °C。所提出的策略为生产高性能厚 GF 提供了一种前景广阔的解决方案，也是电子系统散热的有效途径。