熱介面材料於高功率模組之應用與發展

刊登日期:2016/1/5
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隨著物聯網概念的興起、能源再生利用等技術的持續發展,電子產品的趨勢已從追求體積的薄型化,往更高階的高功率、高速化以及高密度化進行開發。熱介面材料於高功率模組應用中,除了傳統追求高導熱係數之外,如何降低介面熱阻以及提高於嚴苛環境下的可靠度將會是未來應用的一個重要議題。本文中將針對不同熱介面材料之功能與種類進行比較,於高功率模組中,提出適合應用並具備發展潛力之熱介面材料。
 
熱介面材料之市場與產業趨勢
圖一為 BCC Research 對於熱介面材料組成物的市場調查。根據其結果顯示,三種主要的熱介面材料組成物,如高分子組成物、金屬及相變化導熱材料,從 2010 至 2016年,高分子組成物(如:Silicone、Epoxy or Rubber等)皆為主流產品系統,仍穩定占有 87.6% 的市場。其產值預計 2016 年將會有 $630 Million 的市場規模。
 
圖二為市場上熱介面材料種類的使用比例分析。根據其統計,導熱膏、導熱片以及導熱雙面膠仍占整體熱介面材料約 85%。其中又以導熱片的使用量占最大宗,導熱膏為次,第三為導熱雙面膠。導熱膠與貼片則與相變化材料占有的比例相似。另一方面,在特殊用途下,含有 Solder 的相變化材料也仍占有一定的使用比例,此材料具備低於 0.05 K·cm2/W 的介面熱阻值,但是存在高溫加工及重工製程的技術限制。
 
熱介面材料於高功率模組中的應用與需求
從以上的市場介紹與熱介面材料所應用的產品端來看,各種產品對於熱介面材料的特性需求皆不盡相同,從最初的個人電腦及伺服器,到現今物聯網興起所衍生的高功率及高密度的網通設備、戶外使用之高功率LED照明與相關產業以及因應能源問題蓬勃發展的電動車和相關車用電子產品之薄型化,都顯示產業的趨勢皆往高功率、高密度、多功能以及薄型化發展。
 
熱介面材料之功能
熱介面材料(TIM)是現今最普遍使用的熱管理材料,有別於散熱材料(例:散熱鰭片、Heat Sink)的功用是將熱源傳遞過來的熱,藉由熱對流或熱輻射的形式發散至外界,使得元件得以降溫,TIM主要功用是填補兩種材料接合時所產生的微空隙及物體表面的孔洞,減少熱傳遞的接觸熱阻,如圖六所示。
圖六、熱介面材料之功能

圖七、各種熱介面材料圖例
 
熱介面材料之種類與優缺點
根據應用於元件上的位置不同,市面上的熱介面材料種類相當多,大致上可分為膏狀、片狀、膠狀及膠帶等選擇。選用熱介面材料時,一般都會有選擇導熱係數高的迷思,然而,熱介面材料應根據其特性,如:電氣特性、柔軟性、接著強度、耐燃性等條件去選擇。如需應用於高階的高功率模組,更應針對可靠度以及熱阻值進行優先考量。
 
Putty 導熱膠之介紹與最新發展趨勢
在未來高功率且薄型化的元件上,傳統的導熱膏或導熱片在使用上皆有其極限。因此,國內外廠商也不斷的推陳出新,開發出介於導熱膏與導熱片之間的產品,也就是所謂的Putty導熱膠。Putty導熱膠是一種極具……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:劉彥群/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」349期,更多資料請見下方附檔。

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