東南大學(xué)團(tuán)隊提出機(jī)械超界面，實測芯片接觸熱阻近乎清零

給一輛 100 kWh 的電動汽車在 12 分鐘內(nèi)充滿電，需要至少 500 kW 的功率；在主流 1,000 V 以下的車載電壓平臺上，這意味著充電電流將超過 500 A。如此高的電流流過插頭時，焦耳熱會集中在接觸界面上，這是當(dāng)前快充技術(shù)繞不開的安全瓶頸之一。

從手機(jī) SoC 上方壓著的散熱銅片、筆記本主板上的功率電感與銅箔，到儲能柜里成排夾緊的母排，只要兩塊金屬之間沒有被焊死，焦耳熱同樣會在極小的接觸面上堆積。

在現(xiàn)代電子工程中，要讓兩塊金屬導(dǎo)電導(dǎo)熱更好，通常解法是把表面打磨得更光滑，再用更大的力壓得更緊。但近日，一項發(fā)表在《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）上的研究給出了一個相反的答案：在界面上做出微米級的粗糙結(jié)構(gòu)，反而能把接觸電阻降到原來的八分之一。

（來源：DOI: 10.1038/s41928-026-01622-3）

東南大學(xué)郝夢龍團(tuán)隊在這篇論文中提出了一個新概念：機(jī)械超界面（mechanical metainterface），它將思路從材料本體延伸到了兩種材料的接觸面，而這套結(jié)構(gòu)的靈感，來自 7,000 年前就被中國先民使用的木工技藝：榫卯和指接。

被忽視的“最弱一環(huán)”

復(fù)雜電子設(shè)備中往往存在大量通過機(jī)械力壓合的接觸面：螺栓壓住的銅排、卡扣咬合的連接器、用導(dǎo)熱膠或彈簧夾力貼住散熱片的芯片。這些界面只靠力把兩塊材料壓在一起，雖然便于拆裝和維修，但往往也是系統(tǒng)性能的最弱一環(huán)。

原因在于，任何看起來再光滑的金屬表面，放到顯微鏡下都顯得凹凸不平，像連綿的山峰和深谷。兩塊金屬壓在一起時，真正發(fā)生原子級接觸的，只是峰尖對接的極小部分，絕大多數(shù)區(qū)域被微納米級的空氣間隙，或幾納米厚的金屬氧化膜所阻隔。以典型的芯片散熱為例，單是半導(dǎo)體芯片與散熱器之間的接觸界面，就可能占據(jù)整個散熱路徑約一半的熱阻。

解決這一問題的難點(diǎn)在于材料的物理極限。硅芯片、陶瓷封裝材料等相對脆弱，無法承受過大的機(jī)械應(yīng)力。既然工程上無法無限制地增加夾緊力，過去幾十年的主流方案便局限于兩條，一是讓表面盡可能光滑，二是尋找更軟的中間填料（如導(dǎo)熱硅脂、液態(tài)金屬等），被動填補(bǔ)微觀溝壑。

研究團(tuán)隊轉(zhuǎn)換了視角。在古代木構(gòu)建筑中，木材同樣容易受應(yīng)力破壞，但古代木匠能在不用鐵釘、不用膠水的前提下，造出抗彎、抗剪、抗千年風(fēng)雨的木結(jié)構(gòu)。秘訣在于榫卯：通過幾何形狀本身的咬合，作用力被有效分散。如果將這種思路遷移到微米尺度的金屬接觸面，能否在有限的壓力下，改善界面的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能？

圖 | 傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)（來源：DOI: 10.1038/s41928-026-01622-3）

給金屬表面做一層微觀“榫卯”

基于此，在用于導(dǎo)電的電連接器一側(cè)，團(tuán)隊挑了三種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)：燕尾榫（兩塊平板對接時常用，截面像鳥尾分叉的梯形）、鍵榫（弧形構(gòu)件之間用一根楔形鑰匙鎖死的結(jié)構(gòu)）、鉤榫（放在木構(gòu)梁柱之間，用鉤在凹槽上的方式承力）。它們均依靠幾何咬合實現(xiàn)自鎖，并通過楔形部件實現(xiàn)拆裝。

把這三種結(jié)構(gòu)按比例縮進(jìn)毫米級厚度的金屬薄層，在 10 毫米見方的銅塊端面形成陣列，并嵌入不銹鋼楔作為鎖緊件，就構(gòu)建出一種全新的金屬-金屬插拔式接口。

（來源：DOI: 10.1038/s41928-026-01622-3）

針對用于導(dǎo)熱的散熱界面，研究人員則參考了木工用于延長木料的“指接榫”：兩端各刻一排互相咬合的手指，膠合后強(qiáng)度極高。他們加工出微米級的圓環(huán)狀金屬“指尖”陣列，高度在 50 至 150 微米之間，配合一層薄銦箔作為可塑形中間層，形成了“黃銅手指+銦箔+黃銅手指”的三明治結(jié)構(gòu)。值得一提的是，這些樣品均使用了普通的精密機(jī)械加工，無需先進(jìn)微加工設(shè)備。

研究團(tuán)隊把這一整套設(shè)計統(tǒng)一命名為機(jī)械超界面（mechanical metainterface），邏輯與近年來材料學(xué)界熟悉的超材料（metamaterials）一致：超材料通過設(shè)計材料內(nèi)部的周期性微結(jié)構(gòu)，讓材料整體獲得自然界少見的性能；超界面則把同樣的設(shè)計哲學(xué)遷移至兩種材料的接觸面。

到這里為止，“榫卯啟發(fā)”聽上去仍然只是一個精巧的工程類比。研究真正的物理貢獻(xiàn)，在于把這種類比拆解為定量的力學(xué)分析。研究指出，這種微結(jié)構(gòu)之所以有效，不僅在于增加了接觸面積，更在于引入了改變接觸面物理狀態(tài)的關(guān)鍵因素：剪切應(yīng)力。

首先，楔形與燕尾榫結(jié)構(gòu)具有力學(xué)放大效應(yīng)。通過幾何學(xué)上的多級放大，幾十牛頓的常規(guī)插拔力，就能在微觀界面上轉(zhuǎn)化為近十倍的實際接觸壓力。更關(guān)鍵的是，當(dāng)楔角小到一定程度，摩擦力就能實現(xiàn)楔形自鎖，不需要任何外部彈簧或螺栓維持壓緊。

在實測數(shù)據(jù)中，光滑銅面之間的接觸電阻是燕尾榫的 30 倍以上，這個差距遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出純粹的壓力-面積模型能解釋的范圍。研究團(tuán)隊引入維德曼-弗蘭茲定律（Wiedemann-Franz law）對熱導(dǎo)和電導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆解分析后發(fā)現(xiàn)，榫卯結(jié)構(gòu)大幅提升了電子直接傳導(dǎo)的效率。這意味著電子在界面處繞開了絕緣的氧化層，實現(xiàn)了原子級的直接接觸。

背后的物理機(jī)制在于，幾何結(jié)構(gòu)在鎖緊過程中，會沿著接觸面產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向剪切應(yīng)力。這種剪切作用能夠“刮破”金屬表面原本幾納米厚的氧化膜，使新鮮的金屬基體裸露、直接發(fā)生接觸。相比之下，傳統(tǒng)的垂直壓緊方式只能將氧化層壓實，無法實現(xiàn)剝離效果。

快充接觸電阻降至 1/8，芯片接觸面熱阻近乎“清零”

研究團(tuán)隊在兩個典型工程場景中對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試。

在模擬電動車極速快充的測試中（500 A 直流電持續(xù) 600 秒），研究團(tuán)隊橫向?qū)Ρ攘巳N榫卯連接器與市面主流的三種商業(yè)連接器（彈簧式、冠簧式、槽簧式）、以及一份焊點(diǎn)（作為“理想極限”參考）和一對單純拋光后銀鍍層平面（作為“無幾何”對照）。在測試中，三種商業(yè)連接器最高溫度均接近或超過 80°C，甚至出現(xiàn)局部熱斑。

相比之下，榫卯連接器最高溫度控制在 65°C 左右，熱分布更加均勻。燕尾榫連接器的接觸區(qū)體積只有商業(yè)件的 1/10 甚至 1/30。同樣的散熱效果，它需要的金屬用量更少、重量更輕，這對便攜設(shè)備、航空航天、電動飛行器等場景的應(yīng)用尤其有意義。

在接觸電阻方面，燕尾榫連接器的電阻僅為商業(yè)同類產(chǎn)品的三分之一左右。如果再排除尺寸差異影響，燕尾榫連接器的“面積歸一化電阻”只有商業(yè)品的大約八分之一。其在經(jīng)歷 5,000 次插拔循環(huán)后仍表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，磨損也較為有限，實現(xiàn)了接近永久焊點(diǎn)的低電阻與常規(guī)接插件的可維修性。

（來源：DOI: 10.1038/s41928-026-01622-3）

第二組測試針對芯片散熱。這里的對手是各種各樣的熱界面材料（TIM）：導(dǎo)熱硅脂、相變導(dǎo)熱墊、石墨烯紙、銦箔、液態(tài)金屬，他們通過填平芯片底座和散熱器之間的氣隙實現(xiàn)散熱。實驗顯示，在常規(guī)裝配壓力下，指接榫結(jié)構(gòu)配合銦箔的熱阻，僅為傳統(tǒng)光滑界面的 1/5~1/2。

更具工程價值的現(xiàn)象出現(xiàn)在熱循環(huán)測試中。傳統(tǒng)熱界面材料在經(jīng)歷反復(fù)的“開機(jī)升溫-關(guān)機(jī)降溫”后，往往會出現(xiàn)填料擠出、老化脫離，進(jìn)而導(dǎo)致性能退化。出人意料的是，指接界面的熱阻卻在 200 次熱循環(huán)后持續(xù)下降，最終甚至接近材料本身的體熱阻水平。這意味著，接觸面的熱阻幾乎被“清零”。

（來源：DOI: 10.1038/s41928-026-01622-3）

研究團(tuán)隊通過有限元模擬解釋了這一反常現(xiàn)象：由于黃銅和銦的熱膨脹系數(shù)不同，每次升溫時，銦的膨脹被黃銅陣列物理阻擋，在界面上產(chǎn)生額外的法向壓力和剪切應(yīng)力。每一次熱循環(huán)，都相當(dāng)于對接觸界面進(jìn)行了一次物理“夯實”。在 100 瓦大功率 LED 的實測中，經(jīng)歷多次循環(huán)后，采用新界面的芯片升溫幅度均顯著低于傳統(tǒng)散熱方案，在對溫度極其敏感的半導(dǎo)體器件中，這將大幅延長其使用壽命。

微觀力學(xué)引發(fā)的原子級“冷焊”

微觀結(jié)構(gòu)不僅改變了應(yīng)力分布，還引發(fā)了材料學(xué)層面的深層變化。在多次熱循環(huán)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，指接界面變得極難分離，強(qiáng)行分離后，黃銅陣面上甚至殘留了發(fā)生斷裂的金屬銦。

透射電鏡（TEM）的觀察證實，兩者的結(jié)合面在原子尺度上實現(xiàn)了連續(xù)：銦原子擴(kuò)散進(jìn)入銅基體，形成了金屬間化合物。這種現(xiàn)象被稱為“冷焊”（Cold welding），即兩塊清潔的金屬表面在足夠壓力下發(fā)生原子遷移，形成金屬鍵合，從而實現(xiàn)極低的熱阻與電阻。

（來源：DOI: 10.1038/s41928-026-01622-3）

在傳統(tǒng)認(rèn)知中，冷焊通常只在真空環(huán)境下才會發(fā)生。原因在于，金屬表面幾秒鐘內(nèi)生成的氧化膜會阻斷原子的接觸。而在指接榫界面上，熱膨脹差異引發(fā)的持續(xù)剪切力，也會不斷撕裂新生氧化膜；氧化膜破裂的瞬間，新鮮金屬便在壓力下發(fā)生鍵合。這種基于微觀結(jié)構(gòu)的自發(fā)力學(xué)反饋，使得常壓常溫下的冷焊成為可能。

值得一提的是，研究團(tuán)隊也確認(rèn)，這種冷焊并不會讓界面徹底變成永久接頭：留在黃銅手指上的只是斑塊狀的銦殘留，整個界面整體上仍然可以被分開重新組裝。多次插拔之后，界面熱阻僅有微弱上升。

對話作者：從實驗室走向產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實路徑

兩項與實際應(yīng)用密切相關(guān)的實測，展示出該技術(shù)明確的初步應(yīng)用前景。但要走向規(guī)模化量產(chǎn)，勢必面臨成本、良率與供應(yīng)鏈等現(xiàn)實拷問。論文通訊作者、東南大學(xué)郝夢龍教授告訴 DeepTech，在快充與芯片散熱兩條路線上，他更看好“芯片散熱”方案的落地。

這套微觀指接結(jié)構(gòu)，可以直接嵌入目前的半導(dǎo)體封裝工藝流程：“不需要對整體架構(gòu)做出改變，更接近于替代某一個工藝步驟。以前是把芯片和散熱器的表面拋光，現(xiàn)在加工指接結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于直接替代了拋光這一步。”郝夢龍進(jìn)一步解釋道。

相比之下，用于快充的電連接器雖然性能極高，但對當(dāng)前的插頭架構(gòu)是顛覆式的，推廣應(yīng)用的難度相對更高。不過他也指出，在航空航天等對重量和性能要求極度苛刻的電連接場景中，這項技術(shù)或?qū)⒌玫礁斓穆涞亍?/p>

針對外界最關(guān)心的成本與量產(chǎn)瓶頸，郝夢龍也給出了客觀評估。燕尾榫的結(jié)構(gòu)相對簡單，預(yù)期成本與市面主流商業(yè)連接器處于同一量級；而指接結(jié)構(gòu)由于精度要求更高，成本約高出一個量級，更適合對性能有極致要求的高端應(yīng)用。團(tuán)隊目前正在探索新的加工方案，努力在性能和極低成本之間取得平衡。

此外，研究中制作樣品使用的銦是全球供應(yīng)緊張的稀有金屬，對于供應(yīng)鏈問題，郝夢龍教授的解釋讓我們打消了疑慮：這種微觀力學(xué)結(jié)構(gòu)并不依賴特定金屬，它對任意一種常見的固態(tài)金屬熱界面材料都有賦能效益。例如，團(tuán)隊也測試過錫（Sn）基材料，效果同樣不錯。

古法新用，以微觀幾何重構(gòu)接觸工程

從工程方法論的角度看，過去數(shù)十年的接觸面優(yōu)化長期遵循“減法”邏輯：追求更平滑的表面、更軟的填料、更純的材料界面化學(xué)。而機(jī)械超界面的提出，證明了幾何與力學(xué)設(shè)計在微觀接觸領(lǐng)域仍有巨大潛力。

在亞毫米尺度上引入經(jīng)過計算的周期性幾何單元，不僅可以調(diào)控接觸面積和法向壓力，還能將一直被視為破壞性因素的“剪切應(yīng)力”，轉(zhuǎn)化為破壞氧化層、優(yōu)化界面接觸的建設(shè)性力量。

在電流和熱流密度不斷攀升、而材料機(jī)械強(qiáng)度已近極限的今天，重新審視力學(xué)與幾何的結(jié)合，或許是突破下一代電子系統(tǒng)物理瓶頸的有效路徑。

7,000 年前，河姆渡先民不用金屬鉚釘，通過榫卯就能把木樁穩(wěn)穩(wěn)搭在一起，到如今可能搭載在芯片背面的金屬“指尖”。工程問題的“形”換了無數(shù)次，但背后深層的原理未必會變。剪切應(yīng)力可以撐起一座千年木構(gòu)的屋頂，也能在常溫常壓下撕開一層金屬氧化膜，解決新的產(chǎn)業(yè)難題。

參考內(nèi)容：

https://www.nature.com/articles/s41928-026-01622-3

運(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成