張致吉/工研院產科國際所
一、熱界面材料概述
熱界面材料(Thermal Interface Material; TIM)的定義是可使熱量從產生熱源的組件快速傳遞到散熱的中間材料或元器件。在認識熱界面材料前讓我們先從導熱係數與熱阻抗談起。熱導率(Thermal Conductivity)是一種可測量的材料特性，以W/m‧K為單位，而接觸電阻(Contact Resistance)以°C/W為單位。熱阻是從A點到B點之間的界面結構傳熱的量度，是一種系統屬性。有些工程師經常會尋求導電性最強的TIM，而不考慮會影響接觸電阻，例如潤濕和黏接線厚度(Bond Line Thickness; BLT)等的其他特性。然而，材料的流變性，填料顆粒的尺寸，形狀和含量都在改善表面潤濕性和降低BLT方面扮演著至關重要的角色。在理想情況下，TIM將完全潤濕表面，以置換氣隙去填充微觀孔洞。界面電阻取決於搭配做為熱界面體的表面特性以及TIM流入表面特徵，並在界面處形成無空隙且無填充劑的TIM層的能力。另外，由兩種界面材料之間的材料特性差異會引起的聲子散射(Phonon Scattering)，也有助於界面熱阻的增加。因此，如果界面熱阻大，具適度體導熱係數的TIM可能會比具高導熱係數的TIM表現出更低的熱阻。由於熱量必須透過TIM傳遞，高導熱率對於濃稠的油脂應用或間隙填充劑變得很重要。熱阻抗將面積合併到熱阻計算中，並以°C‧cm2 /W表示，熱阻的倒數即熱導。熱傳導的機制示意如圖一所示。
圖一、熱傳導示意
二、採用各種TIM的考量
在考慮如何採用TIM時，針對每個TIM皆有多個參數可用來進行基本考量。以下的概述大致介紹幾個關鍵決定方式：首先是體熱導率，是一種測量材料性能的基準，其次是低界面電阻，或接觸電阻(以°C/W為單位)，主要是針對跨界面結構到散熱器的熱傳遞進行的測量。接著是低鍵合線厚度(Low Bond Line Thickness)，對於熱源和散熱器之間要求的TIM低厚度要求，也意味著該材料/元件產品可以更緊密。當然，應用精度也是考量的重點，如果TIM可以準確的給定面積和厚度的尺寸，對於散熱管理亦可以可靠的應用。接著是易於納入製造流程，也就是說大量生產時該TIM是否容易放置在需要的位置，最後是考量到產品的壽命，有些TIM產品有時還必須重新加工或更換TIM才能維持較長時間，此時，要考慮到可重覆性有幾次?例如：該TIM是否可以維修或必須完全更換。對TIM本身的材質還要顧慮到應力的釋放，TIM是否能夠很好地應對熱源和散熱器的熱膨脹差異，以及導電率或介電擊穿的效果，最終當然是要求低成本了。表一為各種熱界面材料的性能比較。
表一、各種熱界面材料的性能總整理
近年來，由於液態金屬的體導熱率與低界面電阻的性能表現較佳，已開始被重視。採用液體產品的目的是為達到非常緊密的接觸並避免任何氣孔的產生。雖然固體墊具有優勢，但在微觀結構上仍不會有效地填充空隙，從圖二左的微觀角度看到因為固體表面具粗糙的關係，使得熱源與散熱端之間仍存在許多孔隙，孔洞或空隙將會阻止有效的熱傳遞；如果換成圖二中的非流動性的導熱墊，仍會留下阻礙傳熱的孔隙，散熱效果仍不佳；若是換成了圖二右的液態散熱油脂，因具有流動性，可以完全填滿兩者(熱源與散熱端)之間的微細孔隙，因而可以完整地將熱流傳遞出去。
三、熱界面材料的物理形態與種類
從物理形式來看，熱介面材料主要可分為固態與液態兩種。如表二所整理：常見的固態(TIM)有膠帶、薄片和厚墊等，較薄的大多用來做為黏合劑或黏著劑層，較厚的材料大多為複合材料型態，用來做為填充聚合物，固態(TIM)其優點是…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。