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本文部分內容摘自：”專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程“ 第24章節中分內容。

專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程（國內首套有關散熱理論設計的系統培訓課程）

                                                                           正文

熱界面材料(ThermaI Interface Materials  TIM )是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要用于填補兩種材料接合或接觸時產生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的阻抗，提高散熱性。近年來，隨著芯片的發熱量及熱流密度越來越高，如何有效降低芯片到基板或到散熱裝置的熱阻抗變得相當關鍵。因此，熱界面材料在電子散熱方面所扮演的角色越來越顯得重要。在特定產品的熱管理設計程序的元件整合部分中，最關鍵的步驟就是選擇最合適的熱界面材料。本文主要介紹熱界面材料的重要性、分類、特性及影響材料性質的一些重要參數，以及選擇熱界面材料時應注意的事項。

熱界面材料簡介

隨著各類電子整機產品向輕、薄、小的方向發展，電子產品在高功能、高效率的驅動下，各個元件的工作溫度相對地大幅度提高。因此，對整體產品或元件的散熱功率要求也越來越高。傳統元件在散熱功率小時，其接觸熱阻、擴散熱阻等重要因素常被忽略。但隨著功能和功率的提高，熱管理技術的要求也越來越嚴格。電子產品各個元件的散熱不僅與發熱元件本身有關，還與各個元件間互聯密度和界面接觸材料的熱傳導特性有很大的關系。因此，熱界面材料就成為影響熱管理技術未來發展的關鍵技術之一。在電子元件的散熱途徑中，熱界面材料(Thermal Interface Materials：TIM)是影響散熱效率高低的關鍵材料?，F行標準機械拋光的表面呈現出粗糙及波浪狀的形態，造成散熱途徑的界面間實際接觸點減少，因而界面熱阻值升高。要解決此問題，主要有以下幾個方法：

1.開發高流動性材料，以填補界面間材料表面的結構缺陷，微孔等；

2.開發復合熱界面材料，以提高整體材料的熱傳導特性 。

因此，熱傳導值( Thermal Conductivity；K )就成為評估熱界面材料的重要特性之一。未添加任何導熱填充材的高分子材料，其熱傳導值大約為 0.1W／m·K，而目前所使用的商用復合熱界面材料(通常添加導熱金屬粉其熱傳導值大約為 7 W／m·K) 、氮化硼(BN) 、金剛石粉及銀粉等。由于使用高熱導值材料并不能保證整體散熱系統具有優良的散熱效果，因此一般會用另一個評估熱界面材料的重要特性——熱阻值(Thermal Resistance：R)，來評估整體散熱系統的散熱效果。熱阻值與接觸面平整度及使用壓力大小具有相當高的關聯性，其單位一般用 K·in^2/W 表示。

熱界面材料的重要性

熱界面材料(Thermal InterfaceMaterials)是一種用于兩種材料間的填充物，是熱傳遞的重要橋梁。兩種材料相互接合時，無論是同種材料還是兩種不同的材料，即使材料表面平整度很好或施加很大的扣合壓力(Mounted Pressure)，仍無法達到緊密接觸，只能是部分接觸，中間一定仍然存在許多微細空隙或孔洞，如（圖1-a）所示?？障堕g的空氣為熱傳導率相當差的傳熱介質，會阻礙熱傳導的路徑，增加熱阻抗(Thermal Resistance) 。因此，需要填充一種熱界面材料于兩種結合材料間，以填補空隙，增進熱的傳遞效率，降低熱阻抗，如（圖1-b）所示。它是一種應用相當廣泛而且非常重要的材料。

隨著電子元件發熱量越來越高，熱界面材料也越發顯得重要，其扮演的角色也越來越關鍵。由此可見，熱界面材料對于電子組裝及散熱是很重要的。特別是當電子元件或晶片的發熱量或熱流量(HeatFlux)越來越高時，要求電子散熱模塊的熱阻抗卻越來越低。因此，如何進一步提高熱界面材料的熱傳導性及降低熱阻尼(Thermal Impedance)，仍是目前電子散熱工程的一個相當重要的課題。

熱界面材料的分類

如上所述，熱界面材料主要用于填補兩種材料接觸面間的空隙，降低熱阻抗，因此，熱傳導系數( Thermal Conductivity；K )就是評估熱界面材料的重要特性之一。

熱界面材料應具備以下基本特性：

1.可壓縮性及柔軟性；

2.高熱傳導性；

3.低熱阻尼；

4.表面濕潤性；

5.適當的黏性；

6.對扣合壓力的敏感性要高；

7.使用方便；

8.可重復使用；

9.冷熱循環的穩定性好等

只有高分子材料能夠很好的滿足以上要求，但是一般的高分子材料熱傳導系數最好的也只有 0.1--0.2 W/m.K 左右，熱傳遞效果并不好，所以往往需要添加熱傳導率較高

(20—1000 W/m.K)的無機粉末或金屬粉末或石墨粉來改善其熱傳導性。

熱界面材料依其特性不同及發展又可簡單地分為幾類：

導熱黏膠(Conductive Adhesive)

彈性導熱布(Elastomeric pads)

導熱凝膠(Gels)

相變型導熱膠(Phase ChangeMaterials)

導熱膏(Thermal Grease)

導熱帶(Thermal Tapes)

這些材料的分類及特點及使用上的優缺點，如表1及表2所示:

1. 導熱膏(Thermal Grease)

   
   

導熱膏是一種傳統的散熱材料。粘稠狀的液體，具有較強的粘性。一般約在100—400Pa壓力下使用，其界面熱阻值大約在 0.2-1.0 K·cm^2/W左右。其基材主要成分是硅油和非硅質的高分子聚合物。其導熱填充料(Thermal ConductiveFiller)一般以AIN及ZnO為主，也可以選用BN、A1203或SiC等陶瓷粉末或鋁粉、銀粉、石墨粉，甚至金剛石粉末等來提升其熱傳導性。但要特別注意這些填充料在基材內的分散性及混合后的粘性控制。若粘性太低則容易造成導熱膏在使用時發生溢出(Pump Out)現象，粘性太高則會增加接觸熱阻(Contact Rrsistance)及接合厚度(Bondline Thickness)，所以分散性與流變特性的調控是制作導熱膏很重要的工藝參數。

導熱膏由于不需要固化處理(Curing)且屬于液態材料，因此可以添加較高體積比的填充料，熱傳導率比其他熱界面材料高。目前市售的導熱膏的熱傳導率通常介2-6W/m.K 之間，好的可大于8W/m.K，導熱膏本身具有一定的流動性，不需要太高的扣合壓力，經壓縮后其接合厚度可以變得相當薄，對降低熱阻有很大幫助。但缺點是易產生溢出及相分離(Phase Separation)問題，而且在制造及使用過程中容易弄臟環境；另一方面，導熱膏有時為了降低粘性而添加微量的溶劑，這些溶劑會隨時間揮發而使導熱膏干涸，改變原來的特性。因此，最好不添加或少添加溶劑。表3所示是使用Shin Etsu公司粒徑在50um以下的ZnO填充料的導熱膏的主要特性，其熱傳導率介于4-6W/m.K之間。

2.彈性導熱布(Elastomeric pads)

彈性導熱布(矽膠布)是由導熱膏衍生出來的一種散熱材料，一般主要是由在聚硅氧烷橡膠化合物中添加各種不同導熱粉體(如BN、A1203等)所構成，且以玻璃纖維布作載體形成容易操作的固體形態。其加工操作較簡單，一般在700KPa左右的壓力下使用，其界面熱阻值約為1.0-3.0 K·cm^2/W 左右。目前，彈性導熱布主要使用在標準TO型晶體管的熱管理組裝技術上。

3.相變型導熱膠(Phase ChangeMaterials)

相變材料從80年代開始研發，因具有良好散熱性及工藝性，從90年代迅速發展為一種重要的熱界面材料。相變型導熱膠以Polyolefin、Epoxy、Low Molecular Weight Polyesters、Acrylics等為主要基材，再添加低熔點蠟或石蠟，并添加BN、A1203、A1N、ZnO、AI、Ag等微細顆粒作填充料來改善熱傳導性。其相變化主要由低熔點蠟或石蠟決定，熔點(相變溫度)一般控制在45--60℃之間，視芯片或電子元件的工作溫度而定。上述相交型導熱膠或混合物一般是涂布或網印在大面積的鋁箔或網狀玻璃纖維上下表面，使用時再根據產品需求裁切成適當尺寸。

變相型界面材料融合了一般導熱粘膠(Conductive Adhesive)與導熱膏(Thermal Grease)的優點，在達到相變化溫度前，其特性與導熱粘膠類似，具有較高粘性而不會像導熱膏在扣壓時有溢出、弄臟環境等問題，操作也簡便快捷，可直接粘在散熱片或晶片上方。當晶片工作溫度超過相變溫度時>45℃，因部分界面材料由固態變成液態，特性上變成類似導熱膏，具有較強的流動性，一方面容易填補界面間的孔隙及空氣，另一方面接合緊密性變好，接合厚度變小，熱阻因而大幅度降低。這也是近年來相變型界面材料己逐漸取代導熱粘膠，甚至部分導熱膏，成為熱界面材料的主流產品之一的重要原因。其缺點是熱傳導率及熱阻抗比導熱膏稍差。現行相變型界面材料的熱傳導率普遍在1--3 W/m.K之間，有些產品可達6 W/m.K以上，整體性能十分接近導熱膏，熱阻約在0.3-0.7 K·cm^2/W ，并仍保持導熱粘膠特性，因此在扣合時需要較大的壓力(約300kPa)，從而會導致機械應力增加。相變型界面材料的技術瓶頸是工藝重現性(Reworkability)問題，雖然它不被分類在粘膠劑中，但其對金屬物體表面有一定的還原性，因此部分高性能微處理器的熱界面材料目前仍采用導熱膏而不使用相變型導熱膠,表4列出幾種相交型熱界面材料主要特性。

4.導熱凝膠(Gels)

導熱凝膠一般是由在硅油及石蠟中添加鋁粉、氧化鋁及銀粉等導熱填充料組成，通常需進行固化處理。由于經過了交鏈處理，所以具有較強的內凝聚力特性，使用時無需加熱或冷凝。它能提供比導熱膠及粘膠劑更有效的傳熱路徑，其熱傳導率約在1-3 W/m.K 左右。導熱凝膠的優點是能順應接觸表面的不規則性而填補孔隙。此外，由于其內凝聚力較強，在使用時不會有溢出及移動問題，使用和處理起來都很方便。其缺點是需固化處理，熱傳導性沒有導熱膏好，且粘結力也不及導熱膠強。不過整體的熱阻抗表現與導熱膏十分接近。

5.導熱粘膠(導熱雙面膠 Conductive Adhesive)

導熱粘膠是發展較早的產品，其組成主要是環氧樹脂及導熱填充料。一般是先做成大面積的雙面膠帶，再裁切成需要的尺寸。其最大好處是使用方便，可直接粘貼在發熱元件或散熱元件上，在生產線實現安裝自動化容易，而使用時不會產生像流體溢出及移動情形。缺點是其熱傳導率不高(<1W/m.K)，使用時的扣合壓力較大，接合厚度較厚，熱阻比其他熱界面材料高。此外，環氧樹脂固化后具有較高的彈性模數，易導致熱膨脹系數不匹配而衍生熱應力問題。為了改善這些缺點，就有了相變型導熱膠的發展及產品問世。

6.導熱帶(  Thermal Tapes)

導熱帶的開發主要是為用作Heat Sink貼合材料。其主要目的是取消外力夾合裝置，降低設備成本。導熱帶主要是將添加導熱粉體(如Ag等)的感壓型粘膠涂在支撐材料(如聚亞酰胺薄膜、玻璃布或鋁箔等)上所構成。其熱界面阻值大約在1.0-4.0 K·cm^2/ W 左右(與元件表面的平整度有關)。導熱帶的使用非常方便，和一般膠布的貼合方式相同。一般而言，在熱管理組裝技術方面將導熱帶當作散熱材料，主要是因為其具有粘膠特性，其次才是其散熱功能。導熱帶只能應用在具有一定平整度的界面上，因此不適合用在 Overmolded BGA(具有凹陷表面)熱管理組裝技術上。

7.焊料(Solder)

在芯片封裝中，焊料是最重要的界面導熱材料。焊料是熱界面材料另外一個值得注意的選擇對象，其金屬界面熱阻值低于0.05 K·cm^2/ W 。雖然焊料存在高溫加工及重現性的技術挑戰，但在First Level Power Die 貼合制造中，若無明顯適當的熱界面材料時，焊料可被當作低熱阻抗值界面材料使用。

上述幾種熱界面材料的特性比較(如表5)所示，從熱阻抗值來看，導熱膏的熱阻是目前所有熱界面材料中最低的，其他依次為導熱凝膠---相變型導熱膠---導熱粘膠，如圖3所示。但就穩定性和使用重復性而言，導熱膠和導熱粘膠最佳，而導熱膏和相變型導熱膠因有容易溢出及相變化問題，在這方面的特性不如前面兩種。除了上述幾種高分子基的熱界面材料外，還有幾種材料也被用作熱界面材料，如可繞性石墨墊片、天然石墨墊片等，這些材料的平面(x．Y)熱傳導率相當高(>300 W/m.K)，但垂直方向的熱傳導率則在6 W/m/K以下，且使用時的接合厚度較大，因此影響到綜合熱阻抗值的大小。

熱界面材料的特性

熱界面材料的傳熱效率一般是以熱阻或熱阻抗來表示，它是熱界面材料本身的熱阻抗與兩個表面的接觸阻抗的總和。

1.熱界面材料的熱傳導率

熱界面材料主要是由高分子基材及導熱性填充料組成。但是由于一般高分子基材的熱傳導性不佳(約0.1--0.2 W/m.K)，因此需要通過添加導熱填充料來提高其熱傳導性，填充料的種類(如表6)所示，有無機粉末、金屬粉末及石墨粉或微細纖維。

表7所示是不同填充料的熱傳導率，依材料種類不同，從20---1000 W/m.K不等。

需要注意的是，填充料的熱傳導率會隨粒徑的變小而變差，如圖5所示。

另，由（圖六）可以看出，不同填充料體積百分率與界面阻抗對KTIM／Km的影響，也就是填充料體積百分率(?)越高，填充料與基材的界面阻抗(Rb)越低，則熱界面材料的熱傳導率越高。要降低填充料與基材的界面阻抗，有時必須添加表面活性劑，如Silances、Titanaters、Zirconates等來改善填充料的表面活性及分散后的流變特性與穩定性。

2.接合厚度(BLT)

影響熱界面材料熱阻抗的另一因素就是接合厚度。接合厚度是指TIM在一定的壓力下的

最小厚度。影響接合厚度的主要參數有填充料的粒徑、體積百分率，施加的壓力及TIM的粘性，其關系可以根據Prasher等人導出的半經驗式表示為：

TIM的屈服強度與填充料的體積百分率有關，填充料的體積百分率越高，TIM的粘性隨

之增加，TIM的屈服強度越高。因此，TIM就越難被壓縮，接合厚度較大。這也說明填充料的體積百分率越大時，雖然TIM的熱傳導率增加，但因為粘性及接合厚度也增加，所以TIM本身的熱阻抗(BLT/KTIM)不一定會降低，而是需要找到最適當的填充料體積百分率。此外，填充料粒徑過大也會造成TIM不易被壓縮，使接合厚度增大。所以，填充料的粒徑選擇很重要，一般平均粒徑最好能控制在50um以內。

3.接觸熱阻(Contact Resistance)

熱界面材料在使用時，除了要考慮材料本身的熱傳導特性外，還需要考慮其與兩接合材料的接觸熱阻。影響接觸熱阻的因素有：

(1)接觸表面的平整度及粗糙度：平整度差及粗糙度大，則接觸阻抗大；

(2)TIM的粘性：粘性越高，接觸阻抗越高；

(3)Filler的粒徑大?。篎iller粒徑越大越難填補微孔隙；

(4)TIM表面張力：表面張力越大越難潤濕接觸表面：

(5)施加的壓力：施加的壓力越大，接觸熱阻越小，但有極限。

針對以上影響因素，Prasher等人歸納提出一簡單的關系式：

因為接觸面間存在高低不平的凹洞及空氣，無法達到完全接觸。但增加施加的壓力及毛細力能提高實際傳熱接觸面積，因此可用以下幾種方法降低接觸熱阻：

1.增加壓力；

2.減少表面粗糙度；

3.增加TIM熱傳導率；

4.改變表面化學活性來增加毛細力。

以上所述是影響熱界面材料的重要參數。要降低TIM的熱阻抗、提高傳熱性，一方面要

提高界面材料的熱傳導率，另一方面要降低接合厚度及接觸阻熱。以上理論分析并不復雜，但實施工藝卻會有很多問題，其中主要還涉及到很多工藝參數，而且彼此之間有相互影響。如圖10所示，當填充料的體積百分率增加時，熱傳導率隨之增加，但粘性及接觸阻抗也相對增加。因此，要得到最佳的材料配方仍需要進行深入研究。

特定應用中熱界面材料的選擇要考慮多種因素，其中性能、可制造性和成本是首要因素。所期望的熱界面材料特性應包括：低實時熱阻；高熱導率；能在實際組裝條件下實現低粘結厚度BLT：以及實際使用時各層面間能保持低的界面熱阻。能夠在整個器件壽命期間保持其熱性能和機械性能穩定，并且在目前的制造環境中容易加工。如果需要作為結構支撐時還應有足夠的粘合力。其它考慮的因素還有如低揮發性，介電性質，存儲條件，保存期限，罐裝期限，及無毒性等。

熱界面材料的種類很多，每種材料都有不同的特性與優缺點，在選擇時必須先確定材料的使用環境，如溫度工作范圍、晶片最大工作溫度、芯片或元件發熱量、封裝用或散熱用、接觸材料的表面粗糙度、容許的間隙(Gap)、是否需要絕緣等，再根據各種不同的熱界面材料的特性、功能、可靠性、重現性、處理性及存儲性作為衡量。

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