在5G、算力芯片，新能源、數(shù)字能源（光儲、輸變電）等高功率密度電子設(shè)備領(lǐng)域，能源技術(shù)的革新需求日益增長，控制半導(dǎo)體器件的結(jié)溫在一定的低水平上穩(wěn)定運(yùn)行是保障設(shè)備性能與可靠性的關(guān)鍵，而導(dǎo)熱界面材料（TIM）在整個(gè)散熱路徑中，扮演著至關(guān)重要的角色。

行業(yè)中大多數(shù)人都以為，界面熱阻（包含界面材料的體熱阻和接觸熱阻）和界面材料的熱導(dǎo)率成反比關(guān)系，熱導(dǎo)率越高，則界面熱阻越低，事實(shí)并非如此。

同時(shí)選用八種不同熱導(dǎo)率的Grease，在同樣預(yù)緊力的情況下，做相應(yīng)的測試。如下圖：

測試結(jié)果顯示熱阻和熱導(dǎo)率并不成反比【詳細(xì)請參考文章：熱測試（四）——結(jié)構(gòu)函數(shù)的實(shí)際應(yīng)用（2）】，分析其原因，影響界面材料的熱阻的因素，除了熱導(dǎo)率以外，還有一個(gè)重要的因素是界面材料的粘合層厚度?（BLT）。

BLT的定義：材料在組裝后形成的實(shí)際厚度，?BLT的物理意義在于?，它決定了熱量在界面處的傳輸路徑長度。

導(dǎo)熱硅脂的體熱阻為如下公式，

Rbulk= BLT /λTIM

Rbulk：體熱阻

BLT：粘合層厚度

λTIM：材料的熱導(dǎo)率

而界面材料的總熱阻的公式為，

Rtotal= Rbulk+ Rc1+ RC2

Rtotal：總熱阻

Rbulk：體熱阻

Rc1：上表面接觸熱阻

Rc2：下表面接觸熱阻

由上面兩組公式可以看出，較小的BLT能減少熱流阻力，但過小可能導(dǎo)致材料無法完全填充表面微觀空隙，增加接觸熱阻，實(shí)際上是否能降低總熱阻還是一個(gè)未知數(shù)。反之，如果BLT比較大，一定會增加體熱阻而導(dǎo)致總熱阻變大，降低導(dǎo)熱效率。?因此，我們需要通過對界面材料BLT的實(shí)際測試去研究界面材料的整體導(dǎo)熱能力。

在過去的很長時(shí)間內(nèi)，對界面材料BLT，熱導(dǎo)率以及接觸熱阻測量的設(shè)備，主要是基于ASTM D5470的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但ASTM D5470的設(shè)備有先天性不足，除了BLT，其他測量結(jié)果通常存在很大的誤差，導(dǎo)致實(shí)際的導(dǎo)熱能力無法被客觀的評價(jià)【參考文章：熱測試（七）——對ASTM-D5470穩(wěn)態(tài)熱流法的改良】。2025年，魯歐智造基于瞬態(tài)熱測試技術(shù)研發(fā)高精度熱導(dǎo)率測試設(shè)備——CXTIM，在ASTM D5470的基礎(chǔ)上，做出了革命性的改良。大量的數(shù)據(jù)表明，CXTIM可以精確測試界面材料的熱導(dǎo)率和接觸熱阻。

一般來說，要測試界面材料的BLT，需要在幾百Kpa的壓強(qiáng)下，去測量粘合層厚度。CXTIM在Z方向的壓強(qiáng)可以達(dá)到1500Kpa，移動(dòng)精度是1um，可以精確測量界面材料的BLT，測試方式也非常的簡單，將樣品放置在測試臺上，逐步加大壓力，在壓力下，界面材料會逐步變?。ㄈ羰歉酄罟柚?，多余的材料會溢出），直至壓力變大而厚度不變時(shí)，這個(gè)長度即是該界面材料的BLT。

測試BLT和測試熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)是一樣的，選擇某種導(dǎo)熱硅脂，該硅脂標(biāo)稱的熱導(dǎo)率是6.0W/mK，在同一盒包裝中不同位置分別取樣，測試其熱導(dǎo)率和導(dǎo)熱硅脂。測試結(jié)果如上圖。

三次熱導(dǎo)率分別是4.23，R2是0.9992，4.16，R2是0.9995，4.18，R2是0.9997。方差R2是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常用的分析工具，線性度越高，說明數(shù)據(jù)越可靠，CXTIM的方差都達(dá)到了三個(gè)9，說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度是比較高的。檢測數(shù)據(jù)比標(biāo)稱的數(shù)據(jù)要低30%，這個(gè)差距有點(diǎn)大，但也基本上符合歷史數(shù)據(jù)——傳統(tǒng)的熱導(dǎo)率設(shè)備的誤差在40%左右。我們統(tǒng)計(jì)分析了大量的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)的導(dǎo)熱硅脂標(biāo)稱的熱導(dǎo)率都相對偏高，多少不等，甚至有偏高200%的，而進(jìn)口的導(dǎo)熱硅脂，大部分標(biāo)稱值比測試值要偏低，大概10%左右。

在BLT的測試中，測得該導(dǎo)熱硅脂的最小壓縮厚度是40um，實(shí)驗(yàn)是從250um開始測試，最先是每減小50um測一次數(shù)據(jù)，到100um以下每減小20um測一次數(shù)據(jù)，到60um以下，每減小10um測一次數(shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)是40um。分析數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，250um到100um的數(shù)據(jù)，測得熱導(dǎo)率是4.13，R2是0.9980，而100um以上的數(shù)據(jù)，測得熱導(dǎo)率是3.90，R2是0.9630，隨著壓縮厚度越來越小，熱導(dǎo)率呈現(xiàn)下降趨勢，而且數(shù)據(jù)可信度也隨之下降。

TIM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖，分析上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可能有兩個(gè)原因。一、當(dāng)壓縮到一定厚度以后，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在物理上發(fā)生了一定變化，可能會導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低；二、被壓到很小的厚度后，導(dǎo)致接觸熱阻發(fā)生了變化，可能的接觸關(guān)系不良使得總熱阻變大。

這就帶來一個(gè)問題，我們費(fèi)盡心思去測量出材料的熱導(dǎo)率，在實(shí)際應(yīng)用中，可能因?yàn)楣r復(fù)雜而導(dǎo)致模型的精度降低。材料的表面粗糙度，硬度，壓力，以及和界面材料之間的浸潤性等等因素，可能都會對接觸熱阻產(chǎn)生影響（參考文章：接觸熱阻的仿真標(biāo)定，物理測量及影響因素），而接觸熱阻的測量，因?yàn)槠鋸?fù)雜度幾何級的上升，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不可能非常高。因此，為了總體優(yōu)化界面熱阻，?界面材料的厚度控制，要綜合考慮材料特性與工藝條件?：液態(tài)材料（如導(dǎo)熱膏）可通過粘度調(diào)控實(shí)現(xiàn)低BLT，但需避免溢出或干涸；固態(tài)材料（如彈性導(dǎo)熱布）依賴外部壓力控制BLT，通常需數(shù)百kPa壓力，且界面熱阻可能占總熱阻主導(dǎo)。實(shí)際應(yīng)用中，BLT需與材料導(dǎo)熱系數(shù)協(xié)同優(yōu)化，例如高導(dǎo)熱材料可容忍稍厚BLT，而低導(dǎo)熱材料需嚴(yán)格控制BLT以降低熱阻。?我們也可以用模型去預(yù)測材料的導(dǎo)熱性能，而最終檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性的唯一依據(jù)是結(jié)溫的高低，這符合第一性原理。

有一個(gè)題外話，行業(yè)中定義接觸熱阻，通常用的量綱是℃cm2/W，或者是Kcm2/W，仿真軟件中設(shè)置接觸熱阻，量綱用的也是這個(gè)。我們都知道熱阻的量綱是K/W，仿真軟件在設(shè)置接觸熱阻時(shí)，其實(shí)是把對象的面積信息也包含進(jìn)去了，也就是其熱阻值乘以實(shí)際的接觸面積，并不是接觸面的熱阻值。這個(gè)值的精度其實(shí)是沒有意義的，因?yàn)樵谕瑯拥臒嶙铚y量精度下，只要面積能無限的縮小，就可以無限的提高這個(gè)值的精度，這和實(shí)際的物理是相悖的。因此這個(gè)量綱作為一個(gè)仿真的設(shè)置值是合理的，但作為一個(gè)測試設(shè)備的評價(jià)指標(biāo)，是不合理的。

魯歐智造的新產(chǎn)品CXTIM，可以精確測熱導(dǎo)率，也可以在一定程度上測接觸熱阻，CXTIM的測試數(shù)據(jù)如下圖：

從實(shí)際數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)覺熱導(dǎo)率偏低的材料，其線性度較差，而熱導(dǎo)率比較高的材料，線性度也比較差，而中間這部分材料的線性度基本都在三個(gè)9以上（樣品特殊，原因是其添加劑有一定的各項(xiàng)異性），這也是符合實(shí)際的物理現(xiàn)象的。魯歐智造上海實(shí)驗(yàn)室，已部署CXTIM設(shè)備，歡迎業(yè)內(nèi)專家蒞臨指導(dǎo)(現(xiàn)在就可以預(yù)約了)。

審核編輯 黃宇