熱界面材料（ThermalInterfaceMaterial，TIM）用于填補(bǔ)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)產(chǎn)生的微孔隙以及表面凹凸不平產(chǎn)生的空洞，創(chuàng)建一個(gè)高效的熱傳導(dǎo)路徑，從而顯著減少接觸面之間的熱阻。熱導(dǎo)率及熱阻都是熱界面材料中常常提及的物理量，接下來我們將一起探討這兩個(gè)概念及其在應(yīng)用中的影響。

一、熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)）

熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)）是材料固有的熱物理性質(zhì)，它描述的是熱量在材料內(nèi)部傳播的效率，

指的是單位時(shí)間單位溫度梯度下通過單位面積傳遞的熱量。熱導(dǎo)率越高，材料傳遞熱量的能力越強(qiáng)；熱導(dǎo)率越低，材料傳遞熱量的能力越差，從而可能引起溫升過高。

目前，除液態(tài)金屬之外的大多數(shù)TIM均是由聚合物基體內(nèi)添加導(dǎo)熱粒子構(gòu)成，基體材料導(dǎo)熱性能較差，主要為復(fù)合材料提供填充界面間隙所需的流動性、彈性、黏性等，而填料的導(dǎo)熱性能和界面性質(zhì)決定TIM的導(dǎo)熱性能。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率κ_c通常可以表示為：

式中，κ_m為基體材料熱導(dǎo)率；κ_p為導(dǎo)熱粒子的熱導(dǎo)率；R_b為基體材料與填充顆粒間的界面熱阻，φ為填充顆粒的體積分?jǐn)?shù)。通常情況下基體材料的熱導(dǎo)率越高，填料在基體中分散得越均勻，與基體的結(jié)合程度就越好，熱界面材料導(dǎo)熱性能就越高。

基體材料是熱界面材料中重要的組成部分，其導(dǎo)熱性也會對熱界面材料的性能產(chǎn)生很大影響。相關(guān)研究表明：在同等填充量下，基體熱導(dǎo)率的微量提升就可以顯著改善熱界面材料整體熱導(dǎo)率。導(dǎo)熱粒子是熱量的主要傳載體，大致分為三類：碳質(zhì)填料、金屬填料和陶瓷類填料。一般而言，填料的本征熱導(dǎo)率越高熱界面材料的導(dǎo)熱性能就越好。除填料本征熱導(dǎo)率外，填料含量、形狀、粒度、取向以及填料間的復(fù)配都會對材料的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生一定的影響。

此外，界面熱阻也是影響熱界面材料熱導(dǎo)率的重要因素。對于復(fù)合材料自身來說，界面熱阻主要源于兩部分，一個(gè)是填料-填料之間的接觸熱阻，另一個(gè)是填料-基體之間的熱阻。填料的表面改性被認(rèn)為是改善填料和基體之間界面相容性最有效的方法之一。改性常用硅烷偶聯(lián)劑，它同時(shí)含有硅官能團(tuán)和碳官能團(tuán)，具有有機(jī)和無機(jī)的共性，可以將表面極性差異很大的填料與有機(jī)基體界面有效偶聯(lián)，提高界面的粘接強(qiáng)度。

熱界面材料的工藝流程^[1]

相關(guān)閱讀：

常用的幾種導(dǎo)熱填料及其相關(guān)應(yīng)用

粉體改性劑：偶聯(lián)劑與表面活性劑的區(qū)別與聯(lián)系

二、熱阻

熱界面材料目的在于用于降低電子器件中固體界面的熱阻，但熱界面材料本身對熱流就有較強(qiáng)的阻礙作用，因此在考慮熱阻時(shí)，需要考慮上熱界面材料自身體積熱阻R_bulk以及熱界面材料與界面的接觸熱阻R_c。

1、體積熱阻

熱阻是指特定厚度的材料對熱流的阻礙程度的測量值，對于均勻材料本身，熱阻與厚度成正比。對于非均勻材料，熱阻通常會隨厚度增加而增大，但可能不是線性關(guān)系。熱界面材料的體積熱阻R_bulk可表示為下式：

式中R_bulk為熱界面材料的本體（bulk）的熱阻，BLT(Bond Line Thickness)為TIM粘合層厚度；可以看出，當(dāng)其他條件確認(rèn)的時(shí)候，熱導(dǎo)率越大，材料自身熱阻是會越小。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，TIM體積熱阻還會受到連接層厚度的影響。

典型TIM的特性^[2]

在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)熱系數(shù)并不能真實(shí)反應(yīng)散熱效率，能夠真實(shí)反應(yīng)散熱效率的其實(shí)是熱阻。以常見的熱界面材料硅脂為例，材料熱阻=硅脂厚度/導(dǎo)熱系數(shù)，熱阻反應(yīng)的是整體的散熱效率，導(dǎo)熱系數(shù)只是反應(yīng)硅脂本身的熱導(dǎo)性能，厚度則是涂抹在CPU上硅脂的厚薄程度。簡單的說，導(dǎo)熱系數(shù)越高的硅脂或是可以涂的越越薄的硅脂，它的熱阻就越低，導(dǎo)熱效率也就越好。當(dāng)然，使用TIM（熱界面材料）的目的是用來減少接觸面之間的熱阻，在應(yīng)用還需要把接觸熱阻的影響因素考慮上。

2、接觸熱阻

當(dāng)不同的表面相互接觸時(shí)熱量就會通過接觸面?zhèn)鬟f，理想的接觸表面要求一個(gè)面上的每個(gè)點(diǎn)在另一個(gè)面上都有與之相對應(yīng)的接觸點(diǎn)，實(shí)際工程中很難找到兩個(gè)完美契合的表面，芯片表面或蓋板表面看起來很光滑，但對蓋板表面進(jìn)行顯微鏡檢查依然可以得出典型的粗糙度輪廓，因此在兩個(gè)表面之間的接觸界面上會產(chǎn)生熱阻，如下圖所示。

熱傳導(dǎo)示意圖：(a)一維熱傳導(dǎo)；(b)接觸界面

此外，由于硅片與封裝基板間熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，導(dǎo)致硅片或芯片在使用時(shí)翹曲，將進(jìn)一步增加了界面熱阻。

兩種散熱結(jié)構(gòu)示意圖

如下是TIM實(shí)際應(yīng)用示意圖，其在應(yīng)用過程中的總熱阻應(yīng)該是材料本身的熱阻和接觸表面的接觸熱阻之和。

TIM 實(shí)際應(yīng)用示意圖

TIM總熱阻(R_TIM)可以用下式表示，式中R_c1，R_c2，為TIM與臨近表面的接觸熱阻；BLT為TIM粘合層厚度。

表面平整度、表面粗糙度、夾緊壓力、材料厚度和壓縮彈性模量都對接觸熱阻有重要影響，這些表面條件隨將應(yīng)用場景不同而有所變化，因此一個(gè)結(jié)構(gòu)的總熱阻也因其應(yīng)用不同而不同。例如兩接觸面越光滑，則空隙就越小、接觸面就越多，接觸熱阻就會降低。同樣的，如果兩個(gè)表面擠壓得更緊實(shí)，則空隙就越小、接觸面就越多，觸熱阻就會降低。

三、減少總熱阻的方法

單一的TIM材料本身熱導(dǎo)率高，并不能保證散熱效果，如何實(shí)現(xiàn)更低的總熱阻才是獲得好的散熱效果的關(guān)鍵。

減少總熱阻主要通過如下幾個(gè)途徑，①增加熱界面材料和塊體傳熱和散熱材料的熱導(dǎo)率；②增加熱界面材料與界面的潤濕性或黏結(jié)性，以減小接觸熱阻；③增加器件如散熱器等的表面平整度，以減少界面厚度來減小傳熱距離；④減少熱管理封裝中界面的數(shù)量。

1、高熱導(dǎo)率材料

大多數(shù)熱界面材料的整體導(dǎo)熱還是相對比較低。使用更高熱導(dǎo)率的材料，可以有效降低體積熱阻，讓熱流更加順暢地通過材料。目前高熱導(dǎo)率往往采用高填充量來實(shí)現(xiàn)，但高填充量帶來的聚合物的粘度增加，將會導(dǎo)致接觸熱阻發(fā)生改變。因此，如何平衡填充量與復(fù)合材料的力學(xué)性能就顯得非常重要。此外，如何實(shí)現(xiàn)低填充量的高導(dǎo)熱也是一個(gè)非常值得探討的話題。

2、增加潤濕或黏結(jié)力

增加界面的潤濕性和黏結(jié)性會降低接觸熱阻。對于大多數(shù)的油脂或油脂類界面材料，接觸熱阻在整體的熱阻中占的比例相當(dāng)?shù)汀Ｈ欢S著材料的熱導(dǎo)率增加和黏結(jié)層厚度下降，接觸熱阻已經(jīng)開始變得重要。通過在界面處改善界面材料對每個(gè)表面的黏結(jié)性或潤濕性，可以減少接觸熱阻。

3、減小界面層厚度

若其他參數(shù)保持不變，器件之間的黏結(jié)層越薄，就會有越低的界面熱阻。這就要求器件表面更平。

4、減少界面層數(shù)

很多高性能器件采用熱蓋或者散熱器，這就在散熱路徑中從芯片到環(huán)境至少產(chǎn)生了兩個(gè)熱界面：芯片與散熱器；散熱器與熱沉表面。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，減少一個(gè)界面就會減少大部分從節(jié)點(diǎn)到周圍環(huán)境的整體熱阻。

參考資料：

[1]吉曉霞,秦明禮,吳昊陽,等.熱界面材料概況及性能影響因素[J].有機(jī)硅材料,2023

[2]先進(jìn)封裝材料，DanielLu，C.P.Wong(美)編，陳明祥尚金堂等譯

[3]電子封裝熱管理先進(jìn)材料，仝興存(Xingcun Colin Tong)[美]編，安兵，呂衛(wèi)文，吳懿平譯

編輯整理：粉體圈Alpha