热界面材料（ThermalInterfaceMaterial，TIM）用于填补两个固体表面接触时产生的微孔隙以及表面凹凸不平产生的空洞，创建一个高效的热传导路径，从而显著减少接触面之间的热阻。热导率及热阻都是热界面材料中常常提及的物理量，接下来我们将一起探讨这两个概念及其在应用中的影响。

一、热导率（又称导热系数）

热导率（又称导热系数）是材料固有的热物理性质，它描述的是热量在材料内部传播的效率，

指的是单位时间单位温度梯度下通过单位面积传递的热量。热导率越高，材料传递热量的能力越强；热导率越低，材料传递热量的能力越差，从而可能引起温升过高。

目前，除液态金属之外的大多数TIM均是由聚合物基体内添加导热粒子构成，基体材料导热性能较差，主要为复合材料提供填充界面间隙所需的流动性、弹性、黏性等，而填料的导热性能和界面性质决定TIM的导热性能。复合材料的热导率κ_c通常可以表示为：

式中，κ_m为基体材料热导率；κ_p为导热粒子的热导率；R_b为基体材料与填充颗粒间的界面热阻，φ为填充颗粒的体积分数。通常情况下基体材料的热导率越高，填料在基体中分散得越均匀，与基体的结合程度就越好，热界面材料导热性能就越高。

基体材料是热界面材料中重要的组成部分，其导热性也会对热界面材料的性能产生很大影响。相关研究表明：在同等填充量下，基体热导率的微量提升就可以显著改善热界面材料整体热导率。导热粒子是热量的主要传载体，大致分为三类：碳质填料、金属填料和陶瓷类填料。一般而言，填料的本征热导率越高热界面材料的导热性能就越好。除填料本征热导率外，填料含量、形状、粒度、取向以及填料间的复配都会对材料的导热性能产生一定的影响。

此外，界面热阻也是影响热界面材料热导率的重要因素。对于复合材料自身来说，界面热阻主要源于两部分，一个是填料-填料之间的接触热阻，另一个是填料-基体之间的热阻。填料的表面改性被认为是改善填料和基体之间界面相容性最有效的方法之一。改性常用硅烷偶联剂，它同时含有硅官能团和碳官能团，具有有机和无机的共性，可以将表面极性差异很大的填料与有机基体界面有效偶联，提高界面的粘接强度。

热界面材料的工艺流程^[1]

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二、热阻

热界面材料目的在于用于降低电子器件中固体界面的热阻，但热界面材料本身对热流就有较强的阻碍作用，因此在考虑热阻时，需要考虑上热界面材料自身体积热阻R_bulk以及热界面材料与界面的接触热阻R_c。

1、体积热阻

热阻是指特定厚度的材料对热流的阻碍程度的测量值，对于均匀材料本身，热阻与厚度成正比。对于非均匀材料，热阻通常会随厚度增加而增大，但可能不是线性关系。热界面材料的体积热阻R_bulk可表示为下式：

式中R_bulk为热界面材料的本体（bulk）的热阻，BLT(Bond Line Thickness)为TIM粘合层厚度；可以看出，当其他条件确认的时候，热导率越大，材料自身热阻是会越小。但在实际应用过程中，TIM体积热阻还会受到连接层厚度的影响。

典型TIM的特性^[2]

在实际应用中，导热系数并不能真实反应散热效率，能够真实反应散热效率的其实是热阻。以常见的热界面材料硅脂为例，材料热阻=硅脂厚度/导热系数，热阻反应的是整体的散热效率，导热系数只是反应硅脂本身的热导性能，厚度则是涂抹在CPU上硅脂的厚薄程度。简单的说，导热系数越高的硅脂或是可以涂的越越薄的硅脂，它的热阻就越低，导热效率也就越好。当然，使用TIM（热界面材料）的目的是用来减少接触面之间的热阻，在应用还需要把接触热阻的影响因素考虑上。

2、接触热阻

当不同的表面相互接触时热量就会通过接触面传递，理想的接触表面要求一个面上的每个点在另一个面上都有与之相对应的接触点，实际工程中很难找到两个完美契合的表面，芯片表面或盖板表面看起来很光滑，但对盖板表面进行显微镜检查依然可以得出典型的粗糙度轮廓，因此在两个表面之间的接触界面上会产生热阻，如下图所示。

热传导示意图：(a)一维热传导；(b)接触界面

此外，由于硅片与封装基板间热膨胀系数（CTE）不匹配，导致硅片或芯片在使用时翘曲，将进一步增加了界面热阻。

两种散热结构示意图

如下是TIM实际应用示意图，其在应用过程中的总热阻应该是材料本身的热阻和接触表面的接触热阻之和。

TIM 实际应用示意图

TIM总热阻(R_TIM)可以用下式表示，式中R_c1，R_c2，为TIM与临近表面的接触热阻；BLT为TIM粘合层厚度。

表面平整度、表面粗糙度、夹紧压力、材料厚度和压缩弹性模量都对接触热阻有重要影响，这些表面条件随将应用场景不同而有所变化，因此一个结构的总热阻也因其应用不同而不同。例如两接触面越光滑，则空隙就越小、接触面就越多，接触热阻就会降低。同样的，如果两个表面挤压得更紧实，则空隙就越小、接触面就越多，触热阻就会降低。

三、减少总热阻的方法

单一的TIM材料本身热导率高，并不能保证散热效果，如何实现更低的总热阻才是获得好的散热效果的关键。

减少总热阻主要通过如下几个途径，①增加热界面材料和块体传热和散热材料的热导率；②增加热界面材料与界面的润湿性或黏结性，以减小接触热阻；③增加器件如散热器等的表面平整度，以减少界面厚度来减小传热距离；④减少热管理封装中界面的数量。

1、高热导率材料

大多数热界面材料的整体导热还是相对比较低。使用更高热导率的材料，可以有效降低体积热阻，让热流更加顺畅地通过材料。目前高热导率往往采用高填充量来实现，但高填充量带来的聚合物的粘度增加，将会导致接触热阻发生改变。因此，如何平衡填充量与复合材料的力学性能就显得非常重要。此外，如何实现低填充量的高导热也是一个非常值得探讨的话题。

2、增加润湿或黏结力

增加界面的润湿性和黏结性会降低接触热阻。对于大多数的油脂或油脂类界面材料，接触热阻在整体的热阻中占的比例相当低。然而，随着材料的热导率增加和黏结层厚度下降，接触热阻已经开始变得重要。通过在界面处改善界面材料对每个表面的黏结性或润湿性，可以减少接触热阻。

3、减小界面层厚度

若其他参数保持不变，器件之间的黏结层越薄，就会有越低的界面热阻。这就要求器件表面更平。

4、减少界面层数

很多高性能器件采用热盖或者散热器，这就在散热路径中从芯片到环境至少产生了两个热界面：芯片与散热器；散热器与热沉表面。根据现有的技术水平，减少一个界面就会减少大部分从节点到周围环境的整体热阻。

参考资料：

[1]吉晓霞,秦明礼,吴昊阳,等.热界面材料概况及性能影响因素[J].有机硅材料,2023

[2]先进封装材料，DanielLu，C.P.Wong(美)编，陈明祥尚金堂等译

[3]电子封装热管理先进材料，仝兴存(Xingcun Colin Tong)[美]编，安兵，吕卫文，吴懿平译

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