許嘉政 / 工研院材化所
隨著資料中心建置擴張、AI工作負載密度提升、高功率處理器熱管理需求增加等因素推動。TIM已成為影響伺服器能效、晶片穩定性與系統可靠度的關鍵材料。針對高功率AI晶片、伺服器及高效能運算設備之散熱需求，工研院材化所開發Ga-In-Sn-Bi-Graphene常溫液態型與In-Bi-Sn-Graphene-BN低熔點相變型兩類高導熱之熱界面材料。Ga基複合材料利用液態金屬之高填縫性與低黏合層厚度特性，搭配Bi增加黏度及石墨烯高導熱功能，以降低界面熱阻並改善高熱通量晶片之熱點問題。In基複合材料則藉由低熔點相變行為，在操作溫度下熔融填補界面孔隙，並結合石墨烯與BN之異質導熱網絡，提升熱傳效率、形狀穩定性及熱循環可靠度。本實驗室進行合金組成、填料比例、表面改質、分散混煉與流變特性最佳化，並透過導熱係數、界面熱阻、黏合層厚度、潤濕性及長期可靠度測試，建立材料設計與製程參數。完成兼具高導熱、低熱阻、良好施工性及抗泵出能力之TIM技術，推動其應用於AI伺服器、資料中心及高功率電子元件散熱系統。
【內文精選】
高導熱金屬基熱界面材料之關鍵技術
2. 低熔點合金複合材料TIM
In-Bi-Sn-Graphene-BN複合材料因成份調整，可控制低熔點合金複材之熔點為60~72˚C。此低熔點合金複材用加熱加壓成型方式，如圖四所示，成型厚度為100 μm之金屬薄型片材，用Hot Disk進行導熱係數之量測，低熔點合金複材固態時導熱係數都可大於36 W / m·K，界面熱阻抗測試約為0.004˚C·in2 / W。
圖四 材化所低熔點合金複材成型厚度100 μm之金屬薄片
在長時間界面反應測試如圖六所示，將低熔點合金複材，放在二片銅片材之間，加熱經100˚C持溫500 hrs反應，與低熔點合金複材與銅之間形成一層IMC （Intermetallic Compound）層。此IMC之組成為46Cu-27In-24Sn合金，厚度約5~7 μm，此Cu-In-Sn合金有助維持無缺陷界面接合條件。此現象在熱界面材料之應用，經過低熔點合金複材數次之固液相轉換之後，銅與低熔點合金複材形成此IMC層，可幫助銅與低熔點合金間之接合性良好。
圖六 低熔點合金複材與銅之界面反應與微結構分析
本實驗室開發Ga-In-Sn-Bi-Graphene與In-Bi-Sn-Graphene-BN兩類高導熱之熱界面材料之設計與開發，並依據不同操作溫度、施工需求及可靠度條件，建立常溫液態型與低熔點相變型TIM之互補技術架構。Ga-In-Sn-Bi-Graphene複合材料以常溫液態金屬為連續導熱基體，具有良好流動填縫能力，可快速填補晶片與散熱器表面的微細凹凸，降低黏合層厚度與界面接觸熱阻，其中Bi可調控黏度及抗流掛性，石墨烯奈米片則提供高效率導熱橋接，有助於降低高功率晶片熱點溫度，適用於高熱通量、低界面熱阻及快速組裝之散熱應用。In-Bi-Sn-Graphene-BN複合材料則以低熔點相變合金為基體，室溫下具較佳形狀穩定性，於元件操作溫度下熔融並填補界面孔隙，可降低外溢、泵出及滲漏風險。Graphene奈米片可強化導熱性，BN則兼具多方向導熱、電氣絕緣、耐高溫與化學穩定性，兩者可形成互補式異質導熱網絡，提升熱流均勻性與長期界面可靠度。透過合金組成、填料比例、表面改質、分散與增稠製程之最佳化，可使兩類材料分別兼顧高導熱、低熱阻、施工性與穩定性。綜合而言，本實驗室已建立由材料配方、界面潤濕、流變控制、相變行為至可靠度驗證之完整TIM開發流程。Ga系材料適合追求極低界面熱阻與高填縫能力之高功率晶片，In系材料則適合重視形狀保持、可維修性與熱循環穩定性之封裝及模組應用。未來可依晶片功耗、封裝結構及操作溫度進行材料選型，推動其應用於AI伺服器、資料中心、高效能運算及高熱通量電子元件之散熱管理 ---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》478期，更多資料請見下方附檔。