指定合适的热界面材料（TIM）要求深入了解TIM公式中相互关联的元素是如何在一起工作的，以及何时需要优先考虑某种特殊情况。

　　随着电子制造商继续封装更高功率的器件，并且采用增加PCB密度来实现更多的功能，热扩散问题正在成为每个级别上都需要更加优先考虑的问题。性能、可靠性和寿命等，所有这些要素都直接与工作温度相关，工程师正面临着令人生畏的挑战：如何有效的从产生更高温度的元件中移走大量的热，以确保器件足够的工作和服务寿命。

　　晶体管可靠性和寿命主要取决于结温度，温度降低到10-15℃时，器件寿命有可能会加倍。更低的工作温度也会降低门延迟，这有助于提高工作速度。此外，随着器件越来越复杂化，传导路径一般都会变长，因此防止高温下性能恶化所带来的益处有可能会变得更加显著。

　　当湿度和电压较高时，温度升高也会强化其他的失效机制。金属移动能够产生结晶，从电路中显现出来，例如，传导线距离过近会造成短路。在某些环境下会更加苛刻；许多元件经历极宽幅度的温度波动，在重复的热膨胀和收缩中可能产生疲劳，终导致失效。

　　目前在工业界中，对电子封装中更加有效的散热需求是空前的，这导致热界面材料（TIM ）这类产品的快速增长。其本质是在热源和一些其他的介质中形成热传导路径，例如金属盖或热槽，目前市场上可以找到多种TIM，其物理形式包括粘合剂、凝胶体、密封剂和预塑化垫（图1）。

　　散热性能

　　实际上，市场上的散热材料令人眼花缭乱，在测试方法、协议和报告标准等混乱排列的事实面前，我们发现各种材料的性能差异很大。对于芯片设计人员来说，指定一种TIM是项非常困难的任务，大部分趋势是将重点放在材料的体热导率上。热导率是指任何一种材料传递热量的固有内在能力。对于传热化合物，热导率主要取决于填充材料的散热特性，包括填充物的数量、类型及有机模具中填充粒子的大小、形状及配比。

　　一般而言，填充物越高，界面材料的热导率越大。采用更加微小颗粒填充的TIM能够达到更细的键合线和更低的热阻。热材料中填充物的碎片体积总量也对其热性能有很重要的影响。研究人员已经发现，将填充物颗粒的尺寸与作为结果的热传导率增益进行优化结合，填充物可以增加50%。表1总结了许多常用填充物材料的热导率。

　　虽然热传导率无疑是一项很重要的性质，但也仅仅是决定TIM当中的一部分，不能解释在两个或更多表面间的界面热传导。同样的，理解两者之间的关系很重要，即热传导和另一个常采用的热性能测量方法：热阻。

　　在TIM中，热阻是键合线厚度、表面粗糙度和形成界面的材料硬度的函数。通过采用更加平滑的界面可促成TIM和基板之间的接触改良，使界面热阻（有时被称作接触热阻）化。越软的界面材料往往获得越紧密的表面接触，有助于消除阻止有效热传导的空隙（图2）。

　　对于封装应用，典型的TIM键合线非常细（<50μm），这就使得热阻成为选择材料时需要考虑的问题。界面热阻一般大于TIM材料本身的热阻，穿过各种界面后的温降要大于穿过导热材料本身。

　　测量

　　选定恰当的TIM材料，需要采用各种方法去测量并总结热性能，这就使问题变得复杂起来。大多数的技术可分类为瞬态或稳态。不幸的是，已报导的热特性变化范围很宽，这取决于测试方法、温度、压力、表面平坦度及样品厚度。热特性不应该通过不同的测试方法比较，这将很难比较材料的数据；另外数据来自不同的供应商，很难获得他们测试的详细资料。

　　非热特性

　　即使存在这些问题，但如果指定了TIM是基于热性能数据，那么事情就相当容易了。而事实上，影响材料挑选的其他因素会使得事情复杂化，包括物理特性、加工难度和成本。

　　机械性能，例如弹性和黏附力，因为它们会影响界面上的接触热阻及长期可靠性，因此也是非常重要的因素。虽然有很多方式测量并描述材料的弹性，但在上文提到的讨论中，我们通常考虑材料硬度、可压缩性或适应不规则表面的能力。产品数据资料一般列出硬度值或者压缩模量，或者提供应力/应变曲线。对于键合线较细的封装应用，选择能够使接触电阻化的TIM是必须的。高接触热阻主要由于基板的表面粗糙、非平面的匹配表面或者组装中高度错配（图3）造成。

　　举例来说，如果一个特殊应用采用高弹性模量、10 W/m·K体传导率的热材料，界面处表面硬度可能会造成TIM无法充分贴合芯片高度或者不规则表面。如果弹性模量太高，就会在界面材料和接触表面之间留有极小的空气缝隙，产生一个绝热层，阻止有效热传导。

　　相反，低弹性模量材料更容易压缩，以适应各种芯片高度和粗糙表面，并且其弹性相对其他硬材料也是一个关键优势。在这种情况下，体热传导率只有2 W/m·K的软TIM或许远胜于具有更大热转移势的硬材料。紧密表面接触是关键（图4）。除了采用人造橡胶界面材料，工程师或许可以考虑选择更软一些的凝胶体

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