研报学习:石墨烯TIM散热材料行业深度研究

本文选自国金研报，仅供学习参考

一、AI 算力推动散热升级，高性能TIM 成为芯片关键材料

1.1 TIM 连接芯片与散热系统，材料性能决定高功率芯片散热效率

热界面材料（TIM）是连接芯片与散热器的关键一层。芯片、封装盖板和散热器的表面存在细微起伏，装配后仍会留下空气间隙，阻碍热量向外传递。TIM 填充这些间隙，让热量更顺畅地从芯片传至散热器或液冷冷板。

按是否带有金属盖板，封装可分为带盖与无盖两种架构。带盖封装中，热量沿"芯片—TIM1—封装盖板—TIM2—散热器"的路径传递，盖板为芯片提供机械保护、电气隔离并起到均热作用；无盖封装则省去盖板，热量沿"芯片—TIM1.5—散热器"的路径传递，散热器（或冷板）直接与裸芯片相连，传热路径更短、需要跨越的界面更少，散热效率更高，但芯片失去盖板的隔离与保护，对界面材料的贴合性与装配受力控制提出更高要求。随着AI、高性能计算芯片功耗与热流密度持续攀升，无盖架构凭借更短的传热路径得到越来越广泛的应用。

图表2：芯片封装的带盖与无盖结构

不同应用位置对TIM的导热性能、绝缘性及柔软性要求存在差异：

（1）TIM1：位于芯片裸片与封装盖板之间，是芯片热量导出的第一道界面。它直接接触发热芯片，工作温度与热流密度最高，对导热性能和界面可靠性要求最苛刻，散热要求高于TIM2，通常采用铟片、焊料、液态金属等金属基材料，或导热胶、硅脂、相变材料等高分子基材料。

（2）TIM2：位于封装盖板与散热器之间，负责把热量交给外部散热系统。相比TIM1 离发热源更远、温度更低，主要作用是填充盖板与散热器之间的空隙并适配装配公差，因此要求材料具备良好的压缩回弹与贴合能力，对绝缘性要求较低，通常采用导热硅脂、导热垫片、相变材料等可压缩或填充型材料。

（3）TIM1.5：用于无盖封装中裸芯片与散热器之间的界面。省去盖板后传热路径更短、热阻更低，但芯片直接承受装配压力，材料需在满足散热要求的同时具备柔软回弹性，以吸收芯片翘曲、避免压伤芯片，通常采用高性能相变材料、

敬请参阅最后一页特别声明

		该报告由周盘奇于2026年09月29日自Wind金融终端下载，仅供内部使用，请勿传阅
扫码获取更多服务	zhoupanqi@sgfund.org.cn行业深度研究

液态金属或取向石墨烯导热垫片等。

图表3：TIM1、TIM1.5 及 TIM2 的应用位置示意

TIM 材料通常由基体与导热填料组成，二者协同决定材料的导热性能与物理特性。基体主要提供流动性、柔软性和机械稳定性，常见材料包括硅油、硅橡胶、树脂等；导热填料主要用于提高材料热导率，常见材料包括氧化铝、氮化硼等陶瓷材料，以及石墨烯、碳纤维等碳材料。

以相变热界面材料为例，通常以石蜡、聚烯烃等相变物质为基体，通过添加高导热填料、构建定向导热网络，提高材料内部的热量传递效率；同时，利用柔性载体、固态相变结构或微胶囊封装等方式限制相变过程中的材料流动，改善材料的形态稳定性，从而兼顾导热性能、界面贴合性与长期使用可靠性。

图表4：相变热界面材料的导热增强及定形改善策略

按照主要材料体系及导热结构，TIM 可分为高分子基、金属基和碳基三大技术路线：

（1）高分子基TIM：以有机硅材料为代表，通常以硅油、硅橡胶等高分子材料为基体，填充陶瓷、金属或碳类导热颗粒，形成导热硅脂、凝胶及硅胶垫片等产品，具有柔软性好、易加工及界面适应性强等特点，主要产品包括导热硅脂、导热凝胶、导热垫及导热相变材料。

（2）金属基TIM：以低熔点金属及其合金为导热主体，代表产品包括液态金属、铟片及低熔点焊料，利用金属较高的热导率和界面润湿特性降低传热热阻，也可通过复合其他高导热材料进一步改善性能。

（3）碳基TIM：以石墨烯、碳纤维及碳纳米管等为主要导热材料或导热骨架，通常搭配有机硅、树脂等基体，通过材料取向和连续导热网络设计提高厚度方向的传热能力，代表产品包括取向石墨烯导热垫片、碳纤维导热垫片等。

1.2 芯片功耗与先进封装升级，推动TIM 向高导热、高可靠方向演进

AI 服务器功耗持续提升，单颗GPU 功耗向千瓦级跃升，高性能TIM 需求加速释放。随着AI 算力持续提升，英伟达DGX A100、DGX B200 及新一代DGX Rubin NVL8 的单台整机功耗分别为6.5、14.3 及约24kW，Rubin 较A100 提升至约3.7倍。与此同时，单颗GPU 功耗由A100 的400W 提升至HGX B200 的1000W，GB300平台GPU 功率上限进一步达到1400W，较A100提升至3.5 倍。随着单颗芯片需要传递的热量持续增加，芯片与散热器之间的界面传热要求同步提高，推动TIM 向高导热、低热阻及高可靠性方向升级。

封装面积扩大及异质材料集成进一步放大翘曲问题。不同材料热膨胀系数存在差异，在回流焊和芯片冷热循环过程中容易产生热机械应力；随着封装面积扩大，芯片、基板与散热器之间的高度差和局部形变进一步增加，导致TIM 厚度及接触压力不均，形成局部高热阻区域。因此，先进封装对TIM的要求由单一高导热进一步升级为高导热、低热阻、低应力和高回弹的综合性能。

图表11：2.5D/3D 封装持续大型化，封装翘曲问题进一步加剧

图表12：常见TIM 材料产品的物理特性

二、碳基TIM开启材料升级，石墨烯导热垫片迎来产业化机遇

2.1 石墨烯TIM 兼顾高效散热与界面适配，匹配AI 芯片散热升级需求

石墨烯具备优异的本征导热性能，为高性能TIM 提供较高的材料性能上限。石墨烯是一种典型的二维材料，单层厚度仅约0.335nm，特殊的晶体结构与电子分布使其兼具优异的机械性能、载流子迁移率和导热性能。导热方面，单层悬空石墨烯的面内热导率最高可达约5300W/(m·K)；对于含缺陷和官能团的石墨烯粉体，不同制备工艺下热导率约为800-3500W/(m·K)，仍显著高于铜、铝等金属以及氮化铝、碳化硅等陶瓷材料，较高的本征导热性能为其在高功率电子器件热管理中的应用提供了良好的材料基础。

图表13：常用高导热填料及热导率

取向排列及三维网络能够将石墨烯的本征导热优势转化为连续传热通路，推动石墨烯TIM进入百W/(m·K)级。与普通聚合物中热量主要经过低导热基体不同，石墨烯可通过垂直取向或三维连续网络构建高导热骨架，使热量更多沿石墨烯通道由芯片向散热器传递。当前公开的高性能石墨烯导热垫片产品参数已达到约90-200W/(m·K)，其中部分量产型垂直取向产品达到约130W/(m·K)、热阻约0.04-0.06℃·cm²/W，说明石墨烯的本征性能已经能够通过结构设计转化为实际TIM 产品能力。

图表14：石墨烯通过取向排列及三维网络构建连续导热通路

图表15：石墨烯导热垫片高回弹性可吸收基板、芯片及散热器翘曲形变

图表16：石墨烯TIM 经500 次冷热循环后热阻保持稳定，固态结构降低泵出风险

2.2 石墨烯TIM 技术持续迭代，垂直取向推动高性能导热垫片产业化

从面内热扩散向界面导热延伸，石墨烯开始与聚合物复合并构建连续导热网络。将石墨烯作为填料直接加入硅胶、树脂等材料，可以提高传统TIM 的导热能力，但随机分散的石墨烯片层之间存在较多传热界面。进一步构建三维连续网络，可减少导热通路中断。三维石墨烯泡沫/PDMS 热导率达到0.42 W/(m·K)，较分散石墨烯片方案的0.28W/(m·K)提升约50%，体现了连续导热网络的优势。

垂直取向进一步将石墨烯的高导热能力转化为芯片所需的厚度方向散热能力，推动石墨烯TIM走向高性能导热垫片。普通石墨烯膜主要沿水平方向导热，而TIM 要求热量由芯片向散热器纵向传递。通过切割、取向等方式使石墨烯沿厚度方向排列，可显著提高纵向导热能力。垂直排列石墨烯TIM等效热导率达到75.5W/(m·K)，而水平排列结构仅为1.39W/(m·K)，TIM 总热阻由511 降至30.5mm²·K/W。垂直取向由此成为石墨烯导热垫片应用于高功率芯片的重要技术基础。

垂直取向技术逐步走向产品化，石墨烯TIM 已开始进入高功率芯片实际散热场景。随着石墨烯纵向导热、柔软回弹及界面适配能力逐步成熟，相关技术已由实验室结构设计向实际导热垫片产品转化。以鸿富诚为例，公司已形成面向芯片封装散热的石墨烯导热垫片产品，并实现全球头部AI 芯片客户量产供应、应用于AI 芯片装机场景，表明垂直取向石墨烯TIM已具备规模化工程应用基础。随着产业化深入，行业竞争重点也将由材料性能验证进一步转向产品适配、量产一致性、长期可靠性及规模制造能力。

2.3 高功率芯片应用持续拓展，石墨烯TIM 市场空间广泛

AI基础设施投资快速增长，为高性能热管理材料提供长期需求驱动力。随着人工智能模型规模持续扩大，训练和推理任务对算力需求不断提升，全球云厂商和数据中心运营商持续加大AI 基础设施投入。根据IDC 预测，全球AI 基础设施投资规模由2024 年的约1530亿美元增长至2025 年的约3180 亿美元，并有望在2029 年突破1 万亿美元。

TIM 市场持续扩容，高性能材料渗透率提升打开石墨烯TIM 成长空间。根据QY Research 数据，2024 年全球TIM 市场规模约20.1亿美元，预计2031 年增长至41.5 亿美元，2025-2031 年复合增速约10.7%。随着AI 服务器成为TIM 需求增长的重要驱动力，高热流密度场景对材料性能要求持续提升，具备高导热、低热阻及长期可靠性的石墨烯TIM 有望优先受益于高端应用升级。

三、国际巨头主导高端市场，碳基路线开启国产突围窗口

3.1 全球TIM 由国际巨头引领，国产厂商立足国内、沿碳基路线突围高端

全球热界面材料市场呈现“国际巨头占据高端、本土企业持续追赶”的格局。由于欧美、日本电子信息产业起步较早，以杜邦、陶氏化学、德国汉高、信越化学等为代表的国际材料巨头，凭借深厚的技术积累、专利布局与全球化销售网络，长期主导半导体封装等中高端应用市场。根据QY Research 数据，2024 年全球热界面材料市场中，杜邦以11.5%的市占率位列第一，陶氏化学、德国汉高分别以6.5%、6.1%的市占率位列第二、第三。

中国热界面材料市场中，国产厂商已成为市场核心主力，国产化、高端化趋势明确。根据弗若斯特沙利文数据，2025年中国热界面材料市场中，飞荣达以13.1%的市场份额位居第一，汉高以9.5%的市场份额位居第二，中石科技以8.6%的市场份额位居第三，思泉新材、3M 公司及鸿富诚分别以7.6%、6.7%及5.4%的市场份额位列第四至第六，前六大厂商中国产厂商占据四席。随着AI算力、智能汽车等下游需求放量，具备高端产品量产能力的本土厂商份额有望持续提升。

从主要玩家产品进展看，碳基路线竞争格局显著优于传统路线。高分子基与金属基路线由国际巨头主导，产品迭代与供货能力领先，国内厂商以高性价比跟随，突破空间有限。碳基路线上，传统巨头布局相对滞后，飞荣达、SMART HIGH TECH 等尚未跨越从"发布产品"到"批量供货"的量产门槛，目前全球实现石墨烯导热垫片规模化量产的企业极少，代表厂商包括日本Resonac 与鸿富诚。

3.2 石墨烯导热垫片具备性能、量产与客户认证三重壁垒，先发企业卡位优势显著

石墨烯导热垫片是碳基路线中导热性能最强、也是竞争门槛最高的细分品类。其竞争壁垒并非源于单一材料或环节，而是材料、工艺、客户与应用验证深度耦合的系统性工程壁垒，具体体现为三个方面：

（1）材料设计与路线选择壁垒。石墨烯本征高导热沿面内方向，要转化为芯片所需的厚度方向散热能力，必须解决石墨烯与聚合物基体的界面相容性问题，并对复合体系微观结构进行精细调控。行业由此分化出粉体填料取向与石墨烯膜整体垂直取向两条路线，后者可构建连续完整的导热通路，在增加导热通路、降低界面热阻的同时兼顾压缩回弹性，更适配大尺寸CoWoS 封装及芯片翘曲场景，路线选择本身即构成先发者的差异化门槛。

从产业化进度看，鸿富诚处于全球石墨烯导热垫片产业化前列，是行业内少数能够同时量产石墨烯导热垫片材料，并实现头部AI 高功率芯片客户规模化应用的企业。

产品维度，公司石墨烯导热垫片兼顾高导热与高柔软，综合性能领先。高性能散热材料长期面临高导热与高柔软难以兼得的矛盾，公司产品在做到130W/(m·K)高导热的同时，压缩50%的静态应力仅约30-50psi，显著低于同类高性能产品，能够有效吸收芯片与散热器之间的翘曲形变，综合性能更契合AI 芯片散热需求。

客户维度，头部客户实现批量供货，新客户储备持续扩充。鸿富诚是行业内极少数能够量产石墨烯导热垫片并实现规模应用的企业，相关产品已进入全球头部AI 芯片企业供应链并批量供货。具体来看，石墨烯导热垫片用于B 公司AI芯片装机、D 公司AI 芯片测试及装机；在C 公司，产品由前期板卡测试延伸至下一代产品装机，金属碳基复合材料则主要用于板卡重复测试。公司已将石墨烯导热垫片导入核心客户下一代主力产品的装机场景，合作从现有芯片延伸至后续产品项目

碳基导热垫片放量驱动收入高速增长。2023-2025 年鸿富诚碳基导热垫片收入由3,561.0 万元增长至25,226.6 万元，2024年、2025年同比增速分别达138.2%、197.4%，连续两年高速增长，占比由13.8%提升至35.8%，成为第一大产品。碳基导热垫片的快速放量源于其面向AI高功率芯片、光模块等高热流密度场景的稀缺供给，随着头部客户批量供货落地，产品收入与占比持续攀升，是驱动鸿富诚整体收入增长的核心引擎。