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热界面材料(ThermaI Interface Materials TIM )是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少热传递的阻抗，提高散热性。近年来，随着芯片的发热量及热流密度越来越高，如何有效降低芯片到基板或到散热装置的热阻抗变得相当关键。因此，热界面材料在电子散热方面所扮演的角色越来越显得重要。在特定产品的热管理设计程序的元件整合部分中，最关键的步骤就是选择最合适的热界面材料。本文主要介绍热界面材料的重要性、分类、特性及影响材料性质的一些重要参数，以及选择热界面材料时应注意的事项。
热界面材料简介
随着各类电子整机产品向轻、薄、小的方向发展，电子产品在高功能、高效率的驱动下，各个元件的工作温度相对地大幅度提高。因此，对整体产品或元件的散热功率要求也越来越高。传统元件在散热功率小时，其接触热阻、扩散热阻等重要因素常被忽略。但随着功能和功率的提高，热管理技术的要求也越来越严格。电子产品各个元件的散热不仅与发热元件本身有关，还与各个元件间互联密度和界面接触材料的热传导特性有很大的关系。因此，热界面材料就成为影响热管理技术未来发展的关键技术之一。在电子元件的散热途径中，热界面材料(Thermal Interface Materials：TIM)是影响散热效率高低的关键材料。现行标准机械抛光的表面呈现出粗糙及波浪状的形态，造成散热途径的界面间实际接触点减少，因而界面热阻值升高。要解决此问题，主要有以下几个方法：
1.开发高流动性材料，以填补界面间材料表面的结构缺陷，微孔等；
2.开发复合热界面材料，以提高整体材料的热传导特性 。
因此，热传导值( Thermal Conductivity；K )就成为评估热界面材料的重要特性之一。未添加任何导热填充材的高分子材料，其热传导值大约为 0.1W／m·K，而目前所使用的商用复合热界面材料(通常添加导热金属粉其热传导值大约为 7 W／m·K) 、氮化硼(BN) 、金刚石粉及银粉等。由于使用高热导值材料并不能保证整体散热系统具有优良的散热效果，因此一般会用另一个评估热界面材料的重要特性——热阻值(Thermal Resistance：R)，来评估整体散热系统的散热效果。热阻值与接触面平整度及使用压力大小具有相当高的关联性，其单位一般用 K·in^2/W 表示。
热界面材料的重要性
热界面材料(Thermal InterfaceMaterials)是一种用于两种材料间的填充物，是热传递的重要桥梁。两种材料相互接合时，无论是同种材料还是两种不同的材料，即使材料表面平整度很好或施加很大的扣合压力(Mounted Pressure)，仍无法达到紧密接触，只能是部分接触，中间一定仍然存在许多微细空隙或孔洞，如（图1-a）所示。空隙间的空气为热传导率相当差的传热介质，会阻碍热传导的路径，增加热阻抗(Thermal Resistance) 。因此，需要填充一种热界面材料于两种结合材料间，以填补空隙，增进热的传递效率，降低热阻抗，如（图1-b）所示。它是一种应用相当广泛而且非常重要的材料。
随着电子元件发热量越来越高，热界面材料也越发显得重要，其扮演的角色也越来越关键。由此可见，热界面材料对于电子组装及散热是很重要的。特别是当电子元件或晶片的发热量或热流量(HeatFlux)越来越高时，要求电子散热模块的热阻抗却越来越低。因此，如何进一步提高热界面材料的热传导性及降低热阻尼(Thermal Impedance)，仍是目前电子散热工程的一个相当重要的课题。
热界面材料的分类
如上所述，热界面材料主要用于填补两种材料接触面间的空隙，降低热阻抗，因此，热传导系数( Thermal Conductivity；K )就是评估热界面材料的重要特性之一。
热界面材料应具备以下基本特性：
1.可压缩性及柔软性；
2.高热传导性；
3.低热阻尼；
4.表面湿润性；
5.适当的黏性；
6.对扣合压力的敏感性要高；
7.使用方便；
8.可重复使用；
9.冷热循环的稳定性好等
只有高分子材料能够很好的满足以上要求，但是一般的高分子材料热传导系数最好的也只有 0.1--0.2 W/m.K 左右，热传递效果并不好，所以往往需要添加热传导率较高
(20—1000 W/m.K)的无机粉末或金属粉末或石墨粉来改善其热传导性。
热界面材料依其特性不同及发展又可简单地分为几类：
导热黏胶(Conductive Adhesive)
弹性导热布(Elastomeric pads)
导热凝胶(Gels)
相变型导热胶(Phase ChangeMaterials)
导热膏(Thermal Grease)
导热带(Thermal Tapes)
这些材料的分类及特点及使用上的优缺点，如表1及表2所示:
导热膏是一种传统的散热材料。粘稠状的液体，具有较强的粘性。一般约在100—400Pa压力下使用，其界面热阻值大约在 0.2-1.0 K·cm^2/W左右。其基材主要成分是硅油和非硅质的高分子聚合物。其导热填充料(Thermal ConductiveFiller)一般以AIN及ZnO为主，也可以选用BN、A1203或SiC等陶瓷粉末或铝粉、银粉、石墨粉，甚至金刚石粉末等来提升其热传导性。但要特别注意这些填充料在基材内的分散性及混合后的粘性控制。若粘性太低则容易造成导热膏在使用时发生溢出(Pump Out)现象，粘性太高则会增加接触热阻(Contact Rrsistance)及接合厚度(Bondline Thickness)，所以分散性与流变特性的调控是制作导热膏很重要的工艺参数。
导热膏由于不需要固化处理(Curing)且属于液态材料，因此可以添加较高体积比的填充料，热传导率比其他热界面材料高。目前市售的导热膏的热传导率通常介2-6W/m.K 之间，好的可大于8W/m.K，导热膏本身具有一定的流动性，不需要太高的扣合压力，经压缩后其接合厚度可以变得相当薄，对降低热阻有很大帮助。但缺点是易产生溢出及相分离(Phase Separation)问题，而且在制造及使用过程中容易弄脏环境；另一方面，导热膏有时为了降低粘性而添加微量的溶剂，这些溶剂会随时间挥发而使导热膏干涸，改变原来的特性。因此，最好不添加或少添加溶剂。表3所示是使用Shin Etsu公司粒径在50um以下的ZnO填充料的导热膏的主要特性，其热传导率介于4-6W/m.K之间。
2.弹性导热布(Elastomeric pads)
弹性导热布(矽胶布)是由导热膏衍生出来的一种散热材料，一般主要是由在聚硅氧烷橡胶化合物中添加各种不同导热粉体(如BN、A1203等)所构成，且以玻璃纤维布作载体形成容易操作的固体形态。其加工操作较简单，一般在700KPa左右的压力下使用，其界面热阻值约为1.0-3.0 K·cm^2/W 左右。目前，弹性导热布主要使用在标准TO型晶体管的热管理组装技术上。
3.相变型导热胶(Phase ChangeMaterials)
相变材料从80年代开始研发，因具有良好散热性及工艺性，从90年代迅速发展为一种重要的热界面材料。相变型导热胶以Polyolefin、Epoxy、Low Molecular Weight Polyesters、Acrylics等为主要基材，再添加低熔点蜡或石蜡，并添加BN、A1203、A1N、ZnO、AI、Ag等微细颗粒作填充料来改善热传导性。其相变化主要由低熔点蜡或石蜡决定，熔点(相变温度)一般控制在45--60℃之间，视芯片或电子元件的工作温度而定。上述相交型导热胶或混合物一般是涂布或网印在大面积的铝箔或网状玻璃纤维上下表面，使用时再根据产品需求裁切成适当尺寸。
变相型界面材料融合了一般导热粘胶(Conductive Adhesive)与导热膏(Thermal Grease)的优点，在达到相变化温度前，其特性与导热粘胶类似，具有较高粘性而不会像导热膏在扣压时有溢出、弄脏环境等问题，操作也简便快捷，可直接粘在散热片或晶片上方。当晶片工作温度超过相变温度时>45℃，因部分界面材料由固态变成液态，特性上变成类似导热膏，具有较强的流动性，一方面容易填补界面间的孔隙及空气，另一方面接合紧密性变好，接合厚度变小，热阻因而大幅度降低。这也是近年来相变型界面材料己逐渐取代导热粘胶，甚至部分导热膏，成为热界面材料的主流产品之一的重要原因。其缺点是热传导率及热阻抗比导热膏稍差。现行相变型界面材料的热传导率普遍在1--3 W/m.K之间，有些产品可达6 W/m.K以上，整体性能十分接近导热膏，热阻约在0.3-0.7 K·cm^2/W ，并仍保持导热粘胶特性，因此在扣合时需要较大的压力(约300kPa)，从而会导致机械应力增加。相变型界面材料的技术瓶颈是工艺重现性(Reworkability)问题，虽然它不被分类在粘胶剂中，但其对金属物体表面有一定的还原性，因此部分高性能微处理器的热界面材料目前仍采用导热膏而不使用相变型导热胶,表4列出几种相交型热界面材料主要特性。
4.导热凝胶(Gels)
导热凝胶一般是由在硅油及石蜡中添加铝粉、氧化铝及银粉等导热填充料组成，通常需进行固化处理。由于经过了交链处理，所以具有较强的内凝聚力特性，使用时无需加热或冷凝。它能提供比导热胶及粘胶剂更有效的传热路径，其热传导率约在1-3 W/m.K 左右。导热凝胶的优点是能顺应接触表面的不规则性而填补孔隙。此外，由于其内凝聚力较强，在使用时不会有溢出及移动问题，使用和处理起来都很方便。其缺点是需固化处理，热传导性没有导热膏好，且粘结力也不及导热胶强。不过整体的热阻抗表现与导热膏十分接近。
5.导热粘胶(导热双面胶 Conductive Adhesive)
导热粘胶是发展较早的产品，其组成主要是环氧树脂及导热填充料。一般是先做成大面积的双面胶带，再裁切成需要的尺寸。其最大好处是使用方便，可直接粘贴在发热元件或散热元件上，在生产线实现安装自动化容易，而使用时不会产生像流体溢出及移动情形。缺点是其热传导率不高(<1W/m.K)，使用时的扣合压力较大，接合厚度较厚，热阻比其他热界面材料高。此外，环氧树脂固化后具有较高的弹性模数，易导致热膨胀系数不匹配而衍生热应力问题。为了改善这些缺点，就有了相变型导热胶的发展及产品问世。
6.导热带( Thermal Tapes)
导热带的开发主要是为用作Heat Sink贴合材料。其主要目的是取消外力夹合装置，降低设备成本。导热带主要是将添加导热粉体(如Ag等)的感压型粘胶涂在支撑材料(如聚亚酰胺薄膜、玻璃布或铝箔等)上所构成。其热界面阻值大约在1.0-4.0 K·cm^2/ W 左右(与元件表面的平整度有关)。导热带的使用非常方便，和一般胶布的贴合方式相同。一般而言，在热管理组装技术方面将导热带当作散热材料，主要是因为其具有粘胶特性，其次才是其散热功能。导热带只能应用在具有一定平整度的界面上，因此不适合用在 Overmolded BGA(具有凹陷表面)热管理组装技术上。
7.焊料(Solder)
在芯片封装中，焊料是最重要的界面导热材料。焊料是热界面材料另外一个值得注意的选择对象，其金属界面热阻值低于0.05 K·cm^2/ W 。虽然焊料存在高温加工及重现性的技术挑战，但在First Level Power Die 贴合制造中，若无明显适当的热界面材料时，焊料可被当作低热阻抗值界面材料使用。
上述几种热界面材料的特性比较(如表5)所示，从热阻抗值来看，导热膏的热阻是目前所有热界面材料中最低的，其他依次为导热凝胶---相变型导热胶---导热粘胶，如图3所示。但就稳定性和使用重复性而言，导热胶和导热粘胶最佳，而导热膏和相变型导热胶因有容易溢出及相变化问题，在这方面的特性不如前面两种。除了上述几种高分子基的热界面材料外，还有几种材料也被用作热界面材料，如可绕性石墨垫片、天然石墨垫片等，这些材料的平面(x．Y)热传导率相当高(>300 W/m.K)，但垂直方向的热传导率则在6 W/m/K以下，且使用时的接合厚度较大，因此影响到综合热阻抗值的大小。
热界面材料的特性
热界面材料的传热效率一般是以热阻或热阻抗来表示，它是热界面材料本身的热阻抗与两个表面的接触阻抗的总和。
1.热界面材料的热传导率
热界面材料主要是由高分子基材及导热性填充料组成。但是由于一般高分子基材的热传导性不佳(约0.1--0.2 W/m.K)，因此需要通过添加导热填充料来提高其热传导性，填充料的种类(如表6)所示，有无机粉末、金属粉末及石墨粉或微细纤维。
表7所示是不同填充料的热传导率，依材料种类不同，从20---1000 W/m.K不等。
需要注意的是，填充料的热传导率会随粒径的变小而变差，如图5所示。
另，由（图六）可以看出，不同填充料体积百分率与界面阻抗对KTIM／Km的影响，也就是填充料体积百分率(Ø)越高，填充料与基材的界面阻抗(Rb)越低，则热界面材料的热传导率越高。要降低填充料与基材的界面阻抗，有时必须添加表面活性剂，如Silances、Titanaters、Zirconates等来改善填充料的表面活性及分散后的流变特性与稳定性。
2.接合厚度(BLT)
影响热界面材料热阻抗的另一因素就是接合厚度。接合厚度是指TIM在一定的压力下的
最小厚度。影响接合厚度的主要参数有填充料的粒径、体积百分率，施加的压力及TIM的粘性，其关系可以根据Prasher等人导出的半经验式表示为：
TIM的屈服强度与填充料的体积百分率有关，填充料的体积百分率越高，TIM的粘性随
之增加，TIM的屈服强度越高。因此，TIM就越难被压缩，接合厚度较大。这也说明填充料的体积百分率越大时，虽然TIM的热传导率增加，但因为粘性及接合厚度也增加，所以TIM本身的热阻抗(BLT/KTIM)不一定会降低，而是需要找到最适当的填充料体积百分率。此外，填充料粒径过大也会造成TIM不易被压缩，使接合厚度增大。所以，填充料的粒径选择很重要，一般平均粒径最好能控制在50um以内。
3.接触热阻(Contact Resistance)
热界面材料在使用时，除了要考虑材料本身的热传导特性外，还需要考虑其与两接合材料的接触热阻。影响接触热阻的因素有：
(1)接触表面的平整度及粗糙度：平整度差及粗糙度大，则接触阻抗大；
(2)TIM的粘性：粘性越高，接触阻抗越高；
(3)Filler的粒径大小：Filler粒径越大越难填补微孔隙；
(4)TIM表面张力：表面张力越大越难润湿接触表面：
(5)施加的压力：施加的压力越大，接触热阻越小，但有极限。
针对以上影响因素，Prasher等人归纳提出一简单的关系式：
因为接触面间存在高低不平的凹洞及空气，无法达到完全接触。但增加施加的压力及毛细力能提高实际传热接触面积，因此可用以下几种方法降低接触热阻：
1.增加压力；
2.减少表面粗糙度；
3.增加TIM热传导率；
4.改变表面化学活性来增加毛细力。
以上所述是影响热界面材料的重要参数。要降低TIM的热阻抗、提高传热性，一方面要
提高界面材料的热传导率，另一方面要降低接合厚度及接触阻热。以上理论分析并不复杂，但实施工艺却会有很多问题，其中主要还涉及到很多工艺参数，而且彼此之间有相互影响。如图10所示，当填充料的体积百分率增加时，热传导率随之增加，但粘性及接触阻抗也相对增加。因此，要得到最佳的材料配方仍需要进行深入研究。
特定应用中热界面材料的选择要考虑多种因素，其中性能、可制造性和成本是首要因素。所期望的热界面材料特性应包括：低实时热阻；高热导率；能在实际组装条件下实现低粘结厚度BLT：以及实际使用时各层面间能保持低的界面热阻。能够在整个器件寿命期间保持其热性能和机械性能稳定，并且在目前的制造环境中容易加工。如果需要作为结构支撑时还应有足够的粘合力。其它考虑的因素还有如低挥发性，介电性质，存储条件，保存期限，罐装期限，及无毒性等。
热界面材料的种类很多，每种材料都有不同的特性与优缺点，在选择时必须先确定材料的使用环境，如温度工作范围、晶片最大工作温度、芯片或元件发热量、封装用或散热用、接触材料的表面粗糙度、容许的间隙(Gap)、是否需要绝缘等，再根据各种不同的热界面材料的特性、功能、可靠性、重现性、处理性及存储性作为衡量。
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