石墨烯导热垫片选型：垂直导热、薄型低热阻与装配压力的协同评估

AI 服务器的算力在升级，液冷系统也在升级。夹在芯片与散热器之间的那层热界面材料（TIM），任务越来越苛刻：在有限厚度、有限装配压力和长期运行条件下，把集中的热量稳定传出去。

盛元自主研发的垂直取向石墨烯导热垫片 GSF 系列已完成研发，初步具备量产能力，目前正持续推进性能优化、可靠性验证与客户送样测试，后续放量节奏将结合客户验证结果和市场需求确定。

这篇就从市场需求、技术原理、产品参数到装配窗口，把 GSF 系列的选型逻辑完整拆开。

一、需求背景：三条线同时拉高界面要求    

先看大盘。国际能源署 IEA 在 2026 年《Key Questions on Energy and AI》中预测，全球数据中心用电量将从 2025 年的 485 TWh 升至 2030 年的约 950 TWh，同期 AI 型数据中心用电量预计增至约三倍。注意，用电需求不等于石墨烯 TIM 的市场规模，但它反映了算力基础设施持续扩展的背景。

图1｜全球数据中心用电量：2025年为IEA估计值，2030年为预测值。约1.96倍仅表示用电规模变化，不代表TIM销量或石墨烯渗透率。

更接近材料选型的信号，来自已经发布或量产的硬件：NVIDIA GB300 NVL72 采用全液冷机架架构，整合 72 颗 Blackwell Ultra GPU 与 36 颗 Grace CPU；Broadcom 在 2026 年 3 月宣布 102.4 Tbps Tomahawk 6 交换芯片进入批量出货；Coherent 在 OFC 2026 展示覆盖 1.6T、3.2T 及更高速率方向的光互连技术。

三条需求线，对应三类界面要求：

不过话说回来，这里的机会是有选择性的：带宽提高不意味着每个模块功耗等比例增加，液冷普及也不意味着每种界面都适合石墨烯。但对于已经受界面热阻限制、且允许相应厚度与载荷的项目，更高性能的 TIM 有清晰的导入动机——先按工况选型，再通过样品测试确认收益。

二、技术原理：热要沿厚度方向走，才能兑现石墨烯的价值

石墨烯材料有明显的方向性，面内导热强不代表厚度方向也强。热界面应用关心的是：热量能否从热源一侧穿过垫片到达散热器一侧。盛元 GSF 系列采用定向排列与层压复合工艺，构建垂直传热通道。所以产品评价应落在成品垫片的厚度方向导热能力与实际界面热阻上，而不是原料的导热数字。

图2｜热源—垫片—冷板的传热位置示意，非显微结构实拍；垫片内线条仅表示垂直导热方向，尺寸不按比例。

一维稳态、有效接触面积一致的简化条件下：R″总 ≈ t/kz + R″接触1 + R″接触2

t 是压缩后厚度，kz 是厚度方向热导率。t 用 m、kz 用 W/(m·K) 时，结果单位为 m²·K/W；工程常用的 ℃·cm²/W 与之相差 10⁴ 的面积换算系数。

这个公式对应三项设计重点：提高 kz 减小本体热阻、减薄工作厚度 缩短传热距离、改善两侧贴合 降低接触热阻。任何一项都不能脱离另外两项单独判断，这基本是所有 TIM 选型的万能公式。

0.052 ℃·cm²/W 意味着什么温差量级？

用 GSF110-020 在 50 psi 下测得的 0.052 ℃·cm²/W 做简化估算（ΔT ≈ q″ × R″）：

表中为均匀热流假设下的工程计算，非整机测试、非降温承诺，不包含封装内部、冷板及冷却介质等其他热阻。实际结果还受热点分布、接触面积和压力均匀性影响。

一个更实用的换算：在 100 W/cm² 的同一假设下，每减少 0.01 ℃·cm²/W 界面热阻，对应约 1 ℃ 的界面温差变化。低热阻的价值由此能转化为明确的热预算，而不必预先承诺固定的整机降温幅度。

三、产品梯度：三款型号，两条优化路径

GSF 系列提供清晰的选型梯度：GSF110-030 是 0.3 mm、110 W/(m·K) 候选；GSF130-030 同厚度下导热率更高；GSF110-020 进一步减薄到 0.2 mm，面向空间更紧、热阻预算更严格的薄界面。

图3｜原始TDS中的芯片接触界面配图，用于说明安装位置；不构成任何特定芯片平台的认证或客户导入证明。

数据取自盛元原始 TDS 及测试报告：导热率方法 ASTM E1461，热阻方法 ASTM D5470；跨材料对比应确认方向与条件。GSF110-020 测试报告标注试样厚度 0.20±0.03 mm。

两个数字别过度解读：

· GSF130-030 导热率比 GSF110-030 高约 18.2%——这是进一步压缩本体热阻的选择，推不出整机温度同比下降 18.2%，两者热阻规格上限也不能当同工况实测降幅；

· GSF110-020 厚度减薄约三分之一——薄型化缩短传热距离，但要求更严格地控制间隙、公差和翘曲。装配后接触不充分，再高的导热率也是纸上富贵。先确定工作厚度与承载条件，再比较对应压力下的热阻。

四、装配窗口：把压力写进性能，低热阻才进得了设计

GSF110-020 的一项具体优势，是已有可用于讨论装配窗口的压力测试数据。盛元质量实验室 2026 年 9 月报告：LW-9389 设备，ASTM D5470，试样初始厚度 0.200 mm。

图4｜GSF110-020实测试样的压力—热阻与压缩厚度关系。

这组数据说明：低热阻必须和装配压力一起理解。10 → 30 psi，热阻降低约 75.2%；30 → 50 psi，再降约 20.0%。后一个区间仍有收益，但需要更高的机械载荷。性能收益与结构代价同时摆出来，工程师才能做合理取舍。

载荷也得算明白：以 30 mm × 30 mm 有效受压面积为例，50 psi 对应总载荷约 310 N（约 31.6 kgf）。这仅用于说明压力换算，不能直接作为芯片或光模块的装配建议——封装承载、PCB 挠曲、紧固结构和实际压力分布都要校核。

只能提供 10 psi 的装配，就优先用 10 psi 的实测数据做设计判断，别拿 50 psi 的漂亮数字自我安慰。另外 ASTM 也提示：D5470 采用理想化热流条件，测得的热阻不能直接套用到所有实际装配。材料测试负责筛选，系统验证负责确认，两者要衔接。

五、应用落点：先找到界面，再匹配型号

图5｜三类目标应用的热界面位置示意。层叠尺寸与结构仅用于解释选型位置。

两个场景值得单独展开：

液冷强化了对界面质量的要求。 在保留 TIM 的芯片至冷板路径中，冷却介质带走热量之前，热仍要经过封装表面与冷板之间的接触层。冷板性能越好，这一层的热阻越值得单独核算——冷板再强，接触层拉胯照样是短板效应。

光模块要兼顾热性能与洁净要求。 光学器件、狭小空间和低载荷结构，使污染和机械兼容性同样重要。GSF 系列 TDS 标注油析出率 ≤3%，这不等于零析出，也不等于已满足所有光学洁净要求，测试条件和项目限值需单独确认。另外要区分两种界面：模块内部芯片至壳体的界面，与可插拔模块至笼子/散热器的滑动界面——后者涉及插拔磨损、颗粒和保持力，需要额外验证。使用位置说清楚，薄型石墨烯的优势才有明确落点。

还有一条红线：碳基石墨烯材料不能默认具备电绝缘性。有绝缘要求时，应验证完整层叠结构，并重新测量其热阻。

六、从样品走向批量：盛元的产业化支撑与验证清单

盛元的竞争力体现在三个连接上：

· 技术分工明确：110/130 W/(m·K) 与 0.3/0.2 mm 两条优化路径——同厚度提导热，或结构允许时缩短传热距离，便于围绕热预算做实物对比；

· 数据能进工程讨论：GSF110-020 提供的不只是 50 psi 单点热阻，还包括 10/30/50 psi 下的工作厚度与压缩率，结构、热设计和采购可以围绕同一组数据讨论；

· 制造与测试体系作支撑：工厂面积约 20,000 m²、全职员工 230+ 人，具备 ISO 9001、ISO 14001 和 IATF 16949 管理体系资质；实验室具备热性能、拉伸压缩、回弹及环境可靠性相关测试能力。

石墨烯产品本身的当前进展是：研发完成、初步具备量产能力，正在推进可靠性验证和客户送样测试。具体项目的认可和批量交付，仍以验证结果与双方约定为准。

从样品走向批量，这些证据要形成：

高算力热管理为薄型、低热阻 TIM 带来了长期机会。GSF 系列的选型逻辑最终指向一个目标：让材料参数转化为可以被验证和采用的热界面方案。

欢迎携带热源尺寸、功耗/热点分布、实际间隙、允许载荷、接触表面及可靠性要求，与盛元讨论 GSF110-030、GSF130-030 和 GSF110-020 的样品评估，我们的团队随时准备为您提供专业咨询和解决方案设计，电话13712240252（邓女士），期待您的来电！

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