中国科学院上海微系统所：双向高导热石墨膜研究获突破，为 5G 芯片、功率半导体热管理提供技术支撑

近日，中国科学院上海微系统所联合宁波大学研究团队在《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 Kin 达到 1754W/m·K，面外热导率 Kout 突破 14.2W/m·K。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。

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。

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。