在5G、算力芯片，新能源、數字能源（光儲、輸變電）等高功率密度電子設備領域，能源技術的革新需求日益增長，控制半導體器件的結溫在一定的低水平上穩(wěn)定運行是保障設備性能與可靠性的關鍵，而導熱界面材料（TIM）在整個散熱路徑中，扮演著至關重要的角色。

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

同時選用八種不同熱導率的Grease，在同樣預緊力的情況下，做相應的測試。如下圖：

測試結果顯示熱阻和熱導率并不成反比【詳細請參考文章：熱測試（四）——結構函數的實際應用（2）】，分析其原因，影響界面材料的熱阻的因素，除了熱導率以外，還有一個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，但過小可能導致材料無法完全填充表面微觀空隙，增加接觸熱阻，實際上是否能降低總熱阻還是一個未知數。反之，如果BLT比較大，一定會增加體熱阻而導致總熱阻變大，降低導熱效率。?因此，我們需要通過對界面材料BLT的實際測試去研究界面材料的整體導熱能力。

在過去的很長時間內，對界面材料BLT，熱導率以及接觸熱阻測量的設備，主要是基于ASTM D5470的技術標準，但ASTM D5470的設備有先天性不足，除了BLT，其他測量結果通常存在很大的誤差，導致實際的導熱能力無法被客觀的評價【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)熱測試技術研發(fā)高精度熱導率測試設備——CXTIM，在ASTM D5470的基礎上，做出了革命性的改良。大量的數據表明，CXTIM可以精確測試界面材料的熱導率和接觸熱阻。

一般來說，要測試界面材料的BLT，需要在幾百Kpa的壓強下，去測量粘合層厚度。CXTIM在Z方向的壓強可以達到1500Kpa，移動精度是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，這個長度即是該界面材料的BLT。

測試BLT和測試熱導率的實驗是一樣的，選擇某種導熱硅脂，該硅脂標稱的熱導率是6.0W/mK，在同一盒包裝中不同位置分別取樣，測試其熱導率和導熱硅脂。測試結果如上圖。

三次熱導率分別是4.23，R2是0.9992，4.16，R2是0.9995，4.18，R2是0.9997。方差R2是實驗數據常用的分析工具，線性度越高，說明數據越可靠，CXTIM的方差都達到了三個9，說明實驗數據的可信度是比較高的。檢測數據比標稱的數據要低30%，這個差距有點大，但也基本上符合歷史數據——傳統(tǒng)的熱導率設備的誤差在40%左右。我們統(tǒng)計分析了大量的數據，發(fā)現國產的導熱硅脂標稱的熱導率都相對偏高，多少不等，甚至有偏高200%的，而進口的導熱硅脂，大部分標稱值比測試值要偏低，大概10%左右。

在BLT的測試中，測得該導熱硅脂的最小壓縮厚度是40um，實驗是從250um開始測試，最先是每減小50um測一次數據，到100um以下每減小20um測一次數據，到60um以下，每減小10um測一次數據，最終數據是40um。分析數據我們發(fā)現了一個現象，250um到100um的數據，測得熱導率是4.13，R2是0.9980，而100um以上的數據，測得熱導率是3.90，R2是0.9630，隨著壓縮厚度越來越小，熱導率呈現下降趨勢，而且數據可信度也隨之下降。

TIM的內部結構如上圖，分析上述的實驗數據，可能有兩個原因。一、當壓縮到一定厚度以后，材料的內部結構在物理上發(fā)生了一定變化，可能會導致熱導率降低；二、被壓到很小的厚度后，導致接觸熱阻發(fā)生了變化，可能的接觸關系不良使得總熱阻變大。

這就帶來一個問題，我們費盡心思去測量出材料的熱導率，在實際應用中，可能因為工況復雜而導致模型的精度降低。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生影響（參考文章：接觸熱阻的仿真標定，物理測量及影響因素），而接觸熱阻的測量，因為其復雜度幾何級的上升，而導致數據精度不可能非常高。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（如導熱膏）可通過粘度調控實現低BLT，但需避免溢出或干涸；固態(tài)材料（如彈性導熱布）依賴外部壓力控制BLT，通常需數百kPa壓力，且界面熱阻可能占總熱阻主導。實際應用中，BLT需與材料導熱系數協(xié)同優(yōu)化，例如高導熱材料可容忍稍厚BLT，而低導熱材料需嚴格控制BLT以降低熱阻。?我們也可以用模型去預測材料的導熱性能，而最終檢驗設計的合理性的唯一依據是結溫的高低，這符合第一性原理。

有一個題外話，行業(yè)中定義接觸熱阻，通常用的量綱是℃cm2/W，或者是Kcm2/W，仿真軟件中設置接觸熱阻，量綱用的也是這個。我們都知道熱阻的量綱是K/W，仿真軟件在設置接觸熱阻時，其實是把對象的面積信息也包含進去了，也就是其熱阻值乘以實際的接觸面積，并不是接觸面的熱阻值。這個值的精度其實是沒有意義的，因為在同樣的熱阻測量精度下，只要面積能無限的縮小，就可以無限的提高這個值的精度，這和實際的物理是相悖的。因此這個量綱作為一個仿真的設置值是合理的，但作為一個測試設備的評價指標，是不合理的。

魯歐智造的新產品CXTIM，可以精確測熱導率，也可以在一定程度上測接觸熱阻，CXTIM的測試數據如下圖：

從實際數據分析，我們發(fā)覺熱導率偏低的材料，其線性度較差，而熱導率比較高的材料，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9以上（樣品特殊，原因是其添加劑有一定的各項異性），這也是符合實際的物理現象的。魯歐智造上海實驗室，已部署CXTIM設備，歡迎業(yè)內專家蒞臨指導(現在就可以預約了)。

審核編輯 黃宇