熱阻的案例
探索熱阻測試儀在半導體器件熱管理中的應用與前景
探索熱阻測試儀在半導體器件熱管理中的應用與前景
隨著半導體器件不斷向高頻、高功率、高集成度方向發展，器件的有源區工作溫升也隨之升高，導致性能及長期可靠性降低。為了有效進行散熱設計和性能檢測，必須精確測量器件有源區溫度變化并分析熱阻構成分布，這對半導體器件生產行業及使用單位至關重要。
自1947年第一支雙極性晶體管誕生以來，半導體行業的迅速發展改變了社會面貌并影響著人們的生活。從1965年摩爾定律的提出開始，半導體技術按摩爾定律不斷發展，集成電路密度增加、尺寸縮小，導致工作過程中散熱能力下降。熱量積累導致器件結點溫度升高，進而性能下降。因此，熱阻測試、功率測試在半導體研發中至關重要。
第一支雙極性晶體管
熱阻是指熱量在熱流路徑上的阻力，是表征介質或介質間熱傳導能力的重要參數，其物理意義是單位熱量引起的溫升，單位是℃/W。把溫差看作電壓，把熱流看作電流，那么熱阻就可以看作是電阻。
半導體器件特征尺寸持續縮小、功率密度增加，導致器件結溫升高，這直接影響器件性能和壽命。70%的電子器件損壞與高熱環境應力密切相關。器件的瞬態溫升與熱阻密切相關，熱阻由芯片層、焊料層、管殼等組成。利用瞬態溫升技術，可測得器件穩態熱阻和溫升，不但可以測得半導體器件穩態熱阻和溫升，而且可以直接測量各部分對于溫升的貢獻，計算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構成，對器件熱可靠性設計、散熱問題解決、產品性能提升和長期可靠性至關重要。
半導體器件內部熱阻構成示意圖
目前，國內外對單芯片內部熱阻組成和結殼熱阻進行了廣泛研究，并有一些科研院所和企業研制出了熱阻測試儀。美國AnalysisTec公司的Phase11熱阻測試儀和MicRed公司的T3Ster熱阻測試儀是兩款比較有影響力的商業化熱阻測試儀。
展開 探索熱阻測試儀在半導體器件熱管理中的應用與前景
為了有效進行散熱設計和性能檢測，必須精確測量器件有源區溫度變化并分析熱阻構成分布，這對半導體器件生產行業及使用單位至關重要。
自1947年第一支雙極性晶體管誕生以來，半導體行業的迅速發展改變了社會面貌并影響著人們的生活。從1965年摩爾定律的提出開始，半導體技術按摩爾定律不斷發展，集成電路密度增加、尺寸縮小，導致工作過程中散熱能力下降。熱量積累導致器件結點溫度升高，進而性能下降。因此，熱阻測試、功率測試在半導體研發中至關重要。
第一支雙極性晶體管
熱阻是指熱量在熱流路徑上的阻力，是表征介質或介質間熱傳導能力的重要參數，其物理意義是單位熱量引起的溫升，單位是℃/W。把溫差看作電壓，把熱流看作電流，那么熱阻就可以看作是電阻。
半導體器件特征尺寸持續縮小、功率密度增加，導致器件結溫升高，這直接影響器件性能和壽命。70%的電子器件損壞與高熱環境應力密切相關。器件的瞬態溫升與熱阻密切相關，熱阻由芯片層、焊料層、管殼等組成。利用瞬態溫升技術，可測得器件穩態熱阻和溫升，不但可以測得半導體器件穩態熱阻和溫升，而且可以直接測量各部分對于溫升的貢獻，計算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構成，對器件熱可靠性設計、散熱問題解決、產品性能提升和長期可靠性至關重要。
半導體器件內部熱阻構成示意圖
目前，國內外對單芯片內部熱阻組成和結殼熱阻進行了廣泛研究，并有一些科研院所和企業研制出了熱阻測試儀。美國AnalysisTec公司的Phase11熱阻測試儀和MicRed公司的T3Ster熱阻測試儀是兩款比較有影響力的商業化熱阻測試儀。Phase11適用于三極管、MOSFET、二極管和IGBT等器件的熱阻測試，操作復雜，測量周期長。T3Ster可以測量常見三極管、常見二極管、MOS管和LED等半導體器件的熱阻。
展開 元器件熱設計：熱阻是什么？散熱路徑圖解
可以使用熱阻表示如下：
上圖右上方的IC截面圖中，每個部分的顏色與電路網圓圈的顏色相匹配（例如芯片為紅色）。芯片溫度TJ通過電路網中所示的熱阻達到環境溫度TA。
采用表面安裝的方式安裝在印刷電路板（PCB）上時，紅色虛線包圍的路徑是主要的散熱路徑。
具體而言，熱量從芯片經由鍵合材料（芯片與背面露出框架之間的粘接劑）傳導至背面框架（焊盤），然后通過印刷電路板上的焊料傳導至印刷電路板。然后，該熱量通過來自印刷基板的對流和輻射傳遞到大氣中（TA）。
其他途徑還包括從芯片通過鍵合線傳遞到引線框架、再傳遞到印刷基板來實現對流和輻射的路徑，以及從芯片通過封裝來實現對流和輻射的路徑。
如果知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗，則可以通過熱歐姆定律來計算溫度差（在這里為TA和TJ之間的差）。
就如本文所講的，所謂的“熱設計”，就是努力減少各處的熱阻，即減少從芯片到大氣的散熱路徑的熱阻， 最終TJ降低并且可靠性提高。
03
左中括號
什么是熱阻
左中括號
熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數值。是任意兩點之間的溫度差除以兩點之間流動的熱流量（單位時間內流動的熱量）而獲得的值。熱阻值高意味著熱量難以傳遞，而熱阻值低意味著熱量易于傳遞。
熱阻的符號為Rth和θ。Rth來源于熱阻的英文表達“thermal resistance”。
單位是℃/W（K/W）。
展開 熱仿真-實測結果下對比集總參數法與雙熱阻模型 ￥1.9
目前開展的建模方式中，大多采用“集總參數法”對元器件進行簡化建模，該方法簡單快速；另一種方式是建立器件的雙熱阻模型，但需要準確獲知器件的熱阻值，那兩種方法對于板級仿真準確性如何呢？
基于此，本案例對比分析了集總參數法與雙熱阻模型的仿真應用，并開展了溫度實測，討論了不同建模方法與實測值的符合性。
2、芯片散熱相關理論簡介
2.1 芯片的散熱方式
一般而言封裝芯片的散熱方式也包含了上述三種熱傳遞形式，即熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式。元器件主要散熱形式和具體的熱設計措施有關，不存在通用的規律。如下圖所示，為典型封裝芯片的傳熱路徑。
圖1.典型器件散熱形式
2.2 熱阻理論及元器件建模方法
1、集總參數法
集總參數法：即設置物體內部單一導熱率、認為物體溫度均勻一致的近似分析方法。該方法簡單、易操作、所需信息少；該方法適用于一般元件，例如電阻、電感等，而對于器件由于封裝內部結構、材料不同，導致封裝不同方向導熱率會有較大差異，采用集總參數法建模，則仿真誤差可能相對較大，后續會做具體對比分析。
圖2.集總參數法
2、 雙熱阻模型
對于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結到環境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。
展開 
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
CAE白堤
接觸熱阻
任意兩物體接觸在一起，在其接觸面處存在一定的空氣間隙，由此產生的熱阻為接觸熱阻。如圖所示，接觸面間的凹凸不平，使得有效傳熱面積降低。而且，由于間隙狹小，空氣不能形成有效流動，熱量透過這些間隙只能通過熱傳導的形式。空氣導熱系數是鋁的萬分之一左右，因此，剛性面接觸不嚴所致的接觸熱阻是熱量導出的關鍵控制。當有大的熱流通過這些接觸面時，會在接觸面的兩側形成較大的溫度梯度。
接觸熱阻的影響因素
l 接觸表面的數量、形狀、大小及分布規律
l 接觸表面的幾何形狀（波紋度和粗糙度）
l 非接觸間隙的平均厚度
l 間隙中介質種類（真空、液體、氣體）
l 接觸表面的硬度
l 接觸表面壓力大小
l 接觸表面的氧化程度和清潔度
l 接觸材料的導熱系數
改善接觸熱阻措施
電子設備中元器件與散熱器之間、元器件與外殼之間、PCB與散熱器之間等等，雖然通過以上的8個方面一定程度上能改善接觸熱阻。但目前比較通用的方法是采用導熱界面材料來填充，將氣體擠出接觸面，從而降低接觸熱阻值。
熱阻簡化
對某仿真問題，如果已經指定了要進行固體導熱計算，則可以再固體與固體或固體與流體接觸面設置接觸熱阻，可通過輸入接觸熱阻或者輸入接觸層厚度及接觸層的材料屬性來設定。
文章作者：白堤，碩士，有限元設計圈主編，就職于國內某知名企業，主要從事熱設計仿真工作。大佬們都還在努力，更何況自己還只是個學習者。希望通過微信公眾號拋磚引玉，結交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修遠矣，我將上下而求索。
展開 熱阻測試儀在LED照明技術中的應用
SimcenterT3Ster提供無可匹敵的精確度和高重復性的熱阻抗數據，它的多通道配置能夠以最少的測試獲得幾乎所有封裝種類的特性。它提供極其精確的溫度測量（0.01°C，使用二極管傳感器，靈敏度：2mV/°C，假設50mV溫度引起步進電壓的改變），測試啟動時間1微秒。與其他測試系統不同，T3Ster直接測試實際熱阻抗曲線?封裝半導體設備的熱瞬態反應，而不是人為地將單個反應組合。
SimcenterT3Ster設備提供了非破壞性的熱測試方法，其原理為：
1)首先通過改變電子器件的功率輸入；
2)通過測試設備TSP(TemperatureSensorParameter熱相關參數)測試出電子器件的瞬態溫度變化曲線；
3)對溫度變化曲線進行數值處理，抽取出結構函數；
4)從結構函數中自動分析出熱阻和熱容等熱屬性參數；
關鍵詞：T3ster,Micred,功率循環，結溫測試，熱阻測試，結溫熱阻測試，半導體熱特性測試；
參考文獻：
[1] 楊軍偉.半導體器件熱阻測量結構函數法優化及數據處理技術研究[D].北京工業大學,2016.
[2] 王超.基于瞬態溫升技術多通道系統級熱阻測試儀研究與開發[D].北京工業大學,2017.
[3] 張立,汪新剛,崔福利.使用T3Ster對宇航電子元器件內部熱特性的測量[J].空間電子技術,2011,8(02):59-64.
[4] 溫存,林偉瀚,周明,等.模組內部燈條LED真實熱阻模擬測試系統研究與分析[J].電子產品世界,2020,28(12):33-36.
展開 導熱分析時的接觸熱阻 ￥20
在傳感器設計中，熱量從熱源傳遞到芯片，如果將芯片用壓貼的方法，芯片跟熱源中間的熱阻對芯片的響應時間有很大的影響。在這些熱阻中，接觸熱阻又是最重要的組成部分。
接觸熱阻在很多情況下是關于壓力的函數。
下圖中顯示了接觸熱阻跟壓力的關系，三根曲線分別是接觸面是本體本身的材料，即接觸面為空氣。除此之外還有氦氣跟導熱脂。
壓力很小時熱阻很大，隨著壓力的增加熱阻逐漸減小，直到到達一個穩定的值。
我們可以通過上面的曲線得到接觸熱阻的值，從而進行傳熱的計算。但是很多情況下，接觸面的壓力并不是平均分布的，如果是螺栓連接，那么在近螺母處，接觸壓力比較大，如何在CAE分析時考慮壓力分布不均的影響呢。
模型使用100*100*10mm的塑料板，螺栓直徑為10mm，考慮螺栓預緊力為10Mpa時接觸壓力的分布。隨后將鐵板一面設置為100攝氏度，另一面設置為自然對流，對流系數為10w/m^2K, 環境溫度為20℃。
計算結果如下
圖1: 接觸面壓力分布
圖2. 接觸后的變形（放大100倍）
圖3：10s后溫度分布，可見溫度首先在接觸壓力大的地方傳遞
圖4. 接觸面上的熱通量
展開 干貨 | 元器件熱設計：熱阻是什么？散熱路徑圖解
可以使用熱阻表示如下：
上圖右上方的IC截面圖中，每個部分的顏色與電路網圓圈的顏色相匹配（例如芯片為紅色）。芯片溫度TJ通過電路網中所示的熱阻達到環境溫度TA。
采用表面安裝的方式安裝在印刷電路板（PCB）上時，紅色虛線包圍的路徑是主要的散熱路徑。
具體而言，熱量從芯片經由鍵合材料（芯片與背面露出框架之間的粘接劑）傳導至背面框架（焊盤），然后通過印刷電路板上的焊料傳導至印刷電路板。然后，該熱量通過來自印刷基板的對流和輻射傳遞到大氣中（TA）。
其他途徑還包括從芯片通過鍵合線傳遞到引線框架、再傳遞到印刷基板來實現對流和輻射的路徑，以及從芯片通過封裝來實現對流和輻射的路徑。
如果知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗，則可以通過熱歐姆定律來計算溫度差（在這里為TA和TJ之間的差）。
就如本文所講的，所謂的“熱設計”，就是努力減少各處的熱阻，即減少從芯片到大氣的散熱路徑的熱阻， 最終TJ降低并且可靠性提高。
什么是熱阻
熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數值。是任意兩點之間的溫度差除以兩點之間流動的熱流量（單位時間內流動的熱量）而獲得的值。熱阻值高意味著熱量難以傳遞，而熱阻值低意味著熱量易于傳遞。
熱阻的符號為Rth和θ。
展開 熱仿真在芯片研發中的作用及熱阻講解—為什么任正非說芯片熱分析是尖端技術？
當前，在芯片封裝的CAE熱流計算中，主要是計算了芯片封裝放置于JEDEC（美國聯合電子設備工程協會）標準機箱內自然冷卻、強迫對流情況下的熱阻數值。芯片封裝內的銅箔布線和過孔，是芯片熱流最重要的傳熱路徑，因此在對芯片進行詳細的熱流計算時，務必導入其布線過孔信息，以提高熱仿真計算的精度。
封裝的布線分布及精確的導熱率云圖
芯片封裝熱流計算常見的幾種熱阻分類如下：
芯片封裝的Rja熱阻，表示芯片的結點Junction與外界空氣的熱阻，單位為℃/W，一般由芯片制造商提供。Rja熱阻數值的大小，通常被用來判斷芯片散熱性能的好壞。下圖表示某個芯片的Rja熱阻數值（包括自然冷卻和強迫風冷）。
某芯片封裝的Rja數值
Rja熱阻通常包括兩種，一種為將芯片放置于JEDEC標準的密閉測試機箱中，芯片通過自然冷卻進行散熱，即外側風速為0，計算芯片封裝的Rja；另一種為將芯片放置于JEDEC標準的風洞中，通過外界的強迫風冷對芯片進行散熱，需要計算不同風速下的芯片Rja熱阻，其中風洞垂直距離h應該大于測試電路板流向長度L的2倍，即h>2L。
封裝Rja熱阻（自然冷卻）模型示意圖
封裝Rja熱阻（強迫風冷）模型示意圖
芯片Rja熱阻的計算公式如下所示：
Rja=（Tj-Ta）/P
Rja表示芯片結點Junction至環境空氣的熱阻，℃/W；
Tj表示芯片Die的最高溫度，℃；
Ta表示環境的空氣溫度，℃；
P表示芯片Die的熱耗，W；Tj、Ta測量點示意圖如下圖所示。
展開 芯片與散熱器之間的接觸熱阻的評估
芯片與散熱器接觸面間填充的介質，由于其導熱率低于固體材料，芯片上表面的部分熱量無法有效導出，從而在兩接觸面之間會形成溫度差，熱量流經接觸面時仿佛遇到了阻力，該物理現象便稱為接觸熱阻。
接觸熱阻的形成對芯片散熱是不利的，然而芯片與散熱器之間的接觸熱阻確是客觀存在的，只能減小，無法消除。接觸熱阻的大小與材料表面粗糙度、接觸壓力以及填充介質均有關系，表面粗糙度越小，接觸壓力越大，介質導熱率越高，形成的接觸熱阻就越小。
接觸熱阻的評估，在風險評估和方案篩選階段可忽略，但在詳細設計計算時，必須慎重評估，不可忽略，可根據以前的仿真和實測的復盤，反推出接觸熱阻的大小，典型值可用0.3℃/W進行計算評估，具體跟平面度、粗糙度、緊固力和填充介質有關。
展開 降低IC封裝熱阻的封裝設計方法
實驗量測顯示，對于27mmBGA而言，熱阻約可降7℃/W，如<圖10>、<圖11>所示。
圖10 不同球數目、基板層數和熱阻值的關系，
（（1）352lead，2層板 （2）388lead， 2層板，（3）352lead， 4層板，（4）388lead，4層板）
圖11 球數目（a）352及（b）388之分布關系
(2) 接面向下(cavity down)之BGA封裝形式
在接合面向下（Cavity down）形式的BGA可以加裝散熱片以幫助散熱，而主要的散熱路徑為IC＞散熱片＞（基板＞）錫球＞板，使用此種方式的散熱，熱阻將可減少14℃/W。此外，由于封裝表面可直接放置散熱片(heat sink)，因此熱阻更容易降低。
(3) 采用多層的基板
就如同PCB一樣，可藉由增加銅含量來減少基板的擴散熱阻，也就是所謂的多層BGA，27mm的多層BGA比起兩層的BGA，其熱阻約可降低5℃/W ，35mm的多層BGA比起兩層的BGA，其熱阻約可降低7℃/W。
(4) 嵌入式的散熱片（Metal slug）
和前述倒線架形式封裝的散熱片安裝方式類似，嵌入方式的散熱片則可用于接合面向上（cavity up）形式的裝置，將芯片直接安裝在嵌入的散熱片上，再藉由錫球裝置于板上，熱阻也約可有14℃/W的改善。
3.
展開 
基于ansys workbench 多層復合壁的導熱（體現接觸熱阻）
問題描述：多層復合壁的導熱問題，不同接觸熱阻下的接觸面溫度的對比
分析類型：穩態熱分析
分析平臺：ANSYS Workbench 17.0
分析人：技術鄰 一無所有就是打拼的理由
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/b/218
一、傳熱基本知識：
熱傳導熱量傳輸速率方程就是傅里葉定律。傅里葉一般規律：導熱的熱流密度大小與該處的溫度梯度成正比，其方向與溫度梯度的方向相反，指向溫度降低的方向，數學表達式為：
熱流密度矢量的表達式為：
不同坐標系下的導熱微分方程：
直角坐標系：
圓柱坐標系：
球坐標系：
導熱微分方程式描寫物體的溫度隨時間和空間變化的關系；它沒有涉及具體、特定的導熱過程，是通用表達式。在不同情況下，均可簡化為不同形式。
二、多層復合壁導熱示意圖：
接觸熱阻：當一固體與另一熱固體接觸以接受熱量時，由于固體表面都有一定的粗糙度，所以無法避免在接觸面之間存有空氣。甚至液體和金屬表面接觸，在凹陷的地方也可能存有極少量的空氣泡排不出去。由于這些空氣的存在而產生的熱阻稱為接觸熱阻。
多層復合壁模型：
從左往右三層的材料分別為銅，鋁，鋼，厚度分別為10mm，15mm，5mm，模型如下：
接觸熱阻為100000時溫度場分布及溫度變化云圖如下：
當接觸熱阻為1000時，銅與鋁交界面的溫度為99.207攝氏度，鋁與鋼交界面的溫度為64.407攝氏度；當接觸熱阻為1000000時，銅與鋁交界面的溫度為91.424攝氏度，鋁與鋼交界面的溫度為58.766攝氏度。從結果可以看出，接觸熱阻對多層復合壁導熱的影響較為明顯。
展開 精準洞察熱性能：T3Ster 熱阻測試儀的強大優勢
準確測量和分析熱阻等熱特性參數，是優化熱管理、確保產品質量與性能的關鍵。T3ster 熱阻測試儀作為行業內的先進設備，為熱特性測試帶來了革命性的解決方案。
一、T3ster 熱阻測試儀簡介
T3ster 熱阻測試儀由專業的半導體測試設備制造商研發，是一款專注于半導體器件封裝熱特性測試的精密儀器。它能在數分鐘內快速提供各類封裝的詳細熱特性數據，廣泛應用于半導體、電子應用和 LED 行業以及研發實驗室等領域。其系統融合了功能強大的軟件與先進的硬件，具備極高的測試精度與可靠性。
二、T3ster 的測試原理與方法
（一）測試原理
T3ster 采用基于電學法的熱瞬態測試技術。通過改變電子器件的功率輸入，使得器件產生溫度變化。在這個過程中，T3ster 尋找器件內部具有溫度敏感特性的電學參數，如 PN 結的正向結電壓等。利用測試設備對這些溫度敏感參數（TSP）進行監測，通過測量 TSP 的變化來精確得到結溫的變化情況。當器件的功率發生改變時，結溫會從一個熱穩定狀態轉變到另一個穩定狀態，T3ster 能夠精準記錄結溫的瞬態變化過程，包括升溫與降溫過程 。
（二）測試方法
靜態測試法：符合 JEDEC JESD51-1 標準中描述的靜態測試方法。T3ster 通過持續改變電子器件的輸入功率，讓器件達到熱平衡狀態后，在冷卻過程中進行連續測試，實時采集器件的瞬態溫度響應曲線。這種方法能夠全面獲取熱流傳導路徑中每層結構的詳細熱學信息，包括熱阻和熱容參數 。
動態測試方法：也稱為脈沖加熱單點測試。通過對器件施加脈沖式的功率輸入，然后進行單點測試，同樣可以獲取器件的瞬態熱特性數據 。
展開 通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
在這些情況下，由熱界面引起的熱阻可能大于材料本身的熱阻，并在熱傳遞中起關鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復雜性，如原子結構不匹配，熱載體之間的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。
近年來，在界面熱輸運理論和模擬方面取得了許多進展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學Sangyeop Lee教授團隊研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學蒙特卡羅(MC)技術求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運的穩態Peerls - Boltzmann輸運方程。此外，該團隊計算了聲子-聲子散射產生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產生的阻力遠大于界面散射直接引起的阻力。
根據玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導致了聲子散射時產生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態密度和群速度的不匹配解釋了鍺中非平衡聲子的物理起源，為預測非平衡聲子對界面熱阻的影響提供指導。
展開 具有可逆可調熱阻的石墨烯氣凝膠，用于電池熱管理
具有低熱阻的碳基材料有利于冷卻電子設備，而具有高熱阻的氣凝膠則起到隔熱作用。然而，使用相同的材料實現熱傳導和隔熱是一項重大挑戰。近期，廈門大學張學驁教授、蔡偉偉教授、張宇鋒副教授研究采用溶劑熱法合成了石墨烯氣凝膠，高溫退火降低了石墨烯氣凝膠的熱阻。具有可調熱阻的彈性石墨烯氣凝膠使其具有隔熱和導熱的雙重功能成為可能。80%壓縮應變的石墨烯氣凝膠的熱阻比原始狀態低3.3倍。在鋰離子電池（LIB）的熱管理過程中，原始的石墨烯氣凝膠就像一個熱絕緣體，在環境溫度較低（-20°C）時防止LIB的熱量損失，從而使溫度提高9°C，并使LIB的放電容量提高26%。相反，當工作溫度較高（40°C）時，具有低熱阻的壓縮石墨烯氣凝膠充當熱界面材料，將 LIB 的過多熱量散發出去，防止過熱。相關研究成果以“Graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”為題發表于《J. Mater. Chem. A》。
圖1 GA和GA3000的熱性能及表征
圖2 GA3000的熱性能和力學性能
圖3 GA3000用于LIB熱管理的結構基礎
圖4 a/b)在冷和熱環境下工作的LIB熱管理系統示意圖。（c-g）基于COMSOL模擬的lib在-20℃和40℃下表面溫度的比較，f) LIBs與ga3000接觸界面示意圖。
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