朱旭山 / 工研院材化所
數位網路化的時代下，各種電子運算與通訊傳輸裝置性能持續提升，高功率電子構裝除了既有的熱管理需求，更開始面對散熱元件薄型化的挑戰。本文介紹熱管理模組中扮演關鍵角色的高速熱傳元件以及低熱阻熱界面材料，探討目前因薄型化所面臨的瓶頸及困難，同時說明工研院材料與化工研究所在這兩方面的技術突破，包括高解熱能力之銅鋯合金薄殼熱管及低熱阻固液相變熱界面材料，並進行產品應用性能測試和驗證，提供產業界及各位讀者參考。
【內文精選】
高性能薄型熱傳元件技術發展
1. 薄型散熱元件技術瓶頸
具備工作流體蒸發/冷凝循環的高性能熱傳元件如熱管(Heat Pipe)或均熱板(Vapor Chamber)，成為導熱高速公路角色的主流選擇。圖二為熱管與均熱板的結構示意圖，此類熱傳元件的運作原理為內部充填工作流體，在熱源接觸位置遇熱蒸發，此時因相變化吸收潛熱，接著經由蒸氣通道快速散熱至冷端，再次因凝結相變化而釋出熱量，凝結為液體後藉由毛細結構傳輸，重新回流至熱端進行再一次的相變吸熱與蒸發，故具有極高等效熱傳係數。一般而言，此種熱傳元件的等效熱傳係數k，至少可達3,000~5,000 W/m·K，約為一般如銅、鋁等常見散熱用金屬的10倍以上，目前已大量用於各產業散熱領域。為了讓前述的傳輸機制順暢運行，使用強固的熱傳元件殼體以保障內部蒸氣通道不變形，並且將毛細結構傳輸最佳化，是保證熱管及均熱板等散熱元件維持高導熱性能的基礎。
圖二、熱管及均熱板藉內部工作流體蒸發/凝結循環，具有遠高於銅的高熱傳導能力
2. 薄型散熱元件毛細結構最佳化設計
順暢的流體循環毛細結構，以及超薄且強固殼材，是使薄型散熱元件具備高性能的基礎。目前工研院材料與化工研究所發展以下技術，以達最佳化設計與實現可製造的目的，說明如下：
(1) 流體力學輔助毛細結構最佳化設計與智慧化製程參數建立
由於在熱管或均熱板內部的工作流體蒸發→傳輸→凝結→毛細回流循環中，以毛細回流傳輸的速度最慢，為影響熱傳的決定性因素，因此毛細結構最佳化成為重要課題。材化所團隊根據解熱目標、散熱元件內部空間尺寸、工作流體填充量等邊界需求條件，首先以流體力學計算出最佳毛細結構所需之孔隙率、孔隙尺寸、開孔率等第一版的結構參數。
(3) 高性能薄殼熱管製作與性能測試
材化所團隊將銅鋯合金進行抽管加工製程，製成直徑φ為6 mm、壁厚僅為0.1 mm的薄殼合金圓管，置入前述之最佳化毛細結構，進行抽真空、充填工作流體等程序後完成封管，再將其打扁成為厚度為1.0 mm的扁平薄型熱管，並驗證打扁後熱管可進行彎折變形的能力；此外更進一步將薄殼熱管與散熱片組合成為筆電用散熱模組進行實測。
低熱阻全金屬熱界面材料技術
1. 熱界面材料應用現況
前文已提及，熱界面材料扮演如同高速公路交流道的關鍵角色。長期以來，熱界面材料一直是以矽油/樹脂型導熱膏(Thermal Grease)為主，主要原因是其柔軟可變形，刷塗在熱源與散熱模組接觸面上，能夠代替空氣填補接合縫隙處，以減少界面熱阻，如圖八所示；不過目前熱界面材料的性能，即便是國際大廠如信越、道康寧等高階導熱膏，本質熱傳係數僅5~10 W/m·K，和導熱元件的熱傳性能相差太多，成為阻礙晶片熱量傳遞至導熱元件的瓶頸，大幅影響散熱模組總體性能，亟須有所突破。
圖八、熱界面材料(TIM)可降低界面熱阻
2. 固液相變全金屬熱界面材料
材化所團隊選取金屬具有高導熱特性的本質優勢，同時考量產業應用時的便利性、晶片運作發熱時熱界面材料須熔融及變形填縫、避免含鎵元素以減少活性和反應性等幾項條件，提出具有固液相變化行為的全金屬薄片(Metal Pad)，作為熱界面材料的創新技術。主要原因為當熱界面材料發生固液相變化時會有潛熱吸收能力，額外具吸收瞬熱、耐受熱衝擊的效果；且在室溫下為固態薄片，擁有便於操作應用、簡化組裝製程免刷塗等重要優勢。根據晶片常見的溫度運作範圍，Metal Pad熔點適合控制在50~55˚C間；當Metal Pad遇熱熔化後，必須為低表面張力，才能有主動填補縫隙的行為 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》439期，更多資料請見下方附檔。