T3Ster——表面粗糙度對(duì)TIM的熱效應(yīng)研究

1、T3Ster表面粗糙度對(duì)TIM的熱效應(yīng)研究信越化學(xué)株式會(huì)社于90年前在日本成立，是全國(guó)最大的化學(xué)公司，在聚氯乙烯（PVQ和半導(dǎo)體硅領(lǐng)域占據(jù)世界最大份額，在國(guó)內(nèi)有機(jī)硅產(chǎn)品中占據(jù)最大份額。Shin-Etsu的主要產(chǎn)品之一是硅膠，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，包括電氣和電子，汽車，建筑，化妝品和化學(xué)品等行業(yè)。大約40年前，Shin-Etsu決定轉(zhuǎn)向制造并且是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。TIM（熱界面材料）。TIM有助于電子元件中散熱,TIMs的質(zhì)量直接決定了電子元件與冷卻系統(tǒng)之間的界面接觸部分的散熱有效性，優(yōu)質(zhì)的TIM可以減少空洞出現(xiàn)，即所謂的接觸熱阻。CoolingSystemHeatflowTIMa)

2、WithoutTIMb)WithTIM圖1,TIM在電子應(yīng)用中TIM的工作原理（圖1）有機(jī)硅是一種高效的TIM,因?yàn)樗热彳浻址€(wěn)定，可在高溫和低溫范圍內(nèi)使用。它是一種人造高分子化合物，其具有重復(fù)作為主鏈的無(wú)機(jī)硅氧烷鍵（SkO）,以及其側(cè)鏈中的各種有機(jī)基團(tuán)（圖2）。在圖3所示的其物理和化學(xué)性質(zhì)的蜘蛛圖，可以看出它在大多數(shù)性能方面是優(yōu)異的，因此適合作為TIM的基礎(chǔ)材料。truclu-Bl3kJie-hiIkviedbSrilioonehasaHe電Ui府ridiinBexibiiry.*LargtinbindingcnarnvTehnHrK番Hid癌4fiWifCHfKt+SrngillhrWll

3、皿h耐*嘶MMd電bMWma圖2.有機(jī)硅的分子組成及聚合物的物理性能ChemicalstabilityChemicalresistanceHeatresistanceColdresistanceWeatherresistanceHunicM/,SoldhR9d4li,兩面卜Chtonopnfwrubber鼻&FlgUwHbWElectricInsulationFlameretard3noeTIM產(chǎn)品的熱阻。但產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中的復(fù)雜的瞬TIM（散熱片）的性能的影響,信越的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一系列的測(cè)試（圖4）,用于分析當(dāng)給陶瓷加熱器加熱時(shí)，同一塊鋁圖3.有機(jī)硅與其他橡膠材料的物理化學(xué)性能2015年以前

4、，信越的實(shí)驗(yàn)室一直采用自行設(shè)計(jì)的內(nèi)部測(cè)試設(shè)備測(cè)量其是，他們近期購(gòu)買了T3Ster瞬態(tài)熱測(cè)試儀單元，用于捕獲TIM態(tài)熱特性。，通過(guò)改變一系列的TIM變量，來(lái)驗(yàn)證MicReDT3Ster?硬件的性能，其中一些實(shí)驗(yàn)室通過(guò)將T3Ster和他們自己的內(nèi)部設(shè)備連在一起協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)，并為此專門設(shè)計(jì)了一系列基準(zhǔn)測(cè)試：a） TIM層的厚度，b） TIM層的硬度c） TIM附著層的粗糙度。來(lái)自MicReD強(qiáng)大的T3SterMaster軟件及其用于量化TIM的熱阻的“結(jié)構(gòu)函數(shù)”方法被用于首先評(píng)估上述的案例（a）和案例（b）。對(duì)于TIM硬度和厚度對(duì)散熱性能的影響，Shin-Etsu通過(guò)調(diào)節(jié)硅樹脂基橡膠在正常操作期間

5、所處的壓力，成功地利用T3Ster測(cè)量進(jìn)行了確認(rèn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低硬度TIM的熱擴(kuò)散性能優(yōu)于高硬度TIM,薄的TIM優(yōu)于厚的TIM。本文將使用T3Ster熱測(cè)試方法詳細(xì)討論（c）項(xiàng)，即粗糙度對(duì)TIM熱性能的影響。為了評(píng)估鋁板的粗糙度對(duì)于附著在鋁板和陶瓷加熱器之間的Shin-Etsu板由于粗糙度不同（通過(guò)控制刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)）以及壓力不同的情況下的性能差異。首先對(duì)四塊鋁板進(jìn)行了平整度測(cè)試，其測(cè)試精度可達(dá)到亞微米量級(jí)。如圖6所示，測(cè)試結(jié)果顯示最大粗糙度水平在0.2至9微米之間。而圖7則通過(guò)真實(shí)的截面數(shù)據(jù)，更加說(shuō)明性地顯示了真實(shí)的粗糙度呈現(xiàn)出重復(fù)性的峰值和谷值。Roughnessmeasuringmot

6、hodi-MMMWdriiH-qHzgnk(25X馴at加ITIM接觸的圖4.用于評(píng)估鋁板粗糙度影響的測(cè)試設(shè)備是與各種硬度的VVV圖5.試驗(yàn)所用鋁板的五種表面粗糙度照片?rgce警jnq房lunninunn白_dR&ughdr&EbOriCuMgmarks4MirrorfinishRh(A4.VVV.VW)MalBn4!iiutrHnMniSu*MlThHrv11ntKMfeaACiUHJK5bB|F(firnflinuph3用rhwO.M90.2720.02BMAS7VViFfrmpE*h1口改1W90.1就0QQOF412S&S0.T2Bft.uaVimnfcwi0.W33眼方Mutf忙地

7、aTi0.3O51出2，flrnhflnmgrtre-15*11力Miurruneu*rki圖6.鋁板表面粗糙度和測(cè)量的詳細(xì)信息圖7.鋁板表面粗糙度在粗糙方向和精密方向的詳細(xì)信息Shin-Etsu選擇兩種TIM產(chǎn)品TG30TAG8和TG100CAF-40應(yīng)用于鋁板組，以評(píng)估粗糙度的影響。兩種材料在沒有鋁板的情況下具有相似的散熱性能，但TG100CAF-40硬度較低（即它相對(duì)柔軟），而TG30TAG8硬度較高，參見圖8?？梢钥闯鍪褂肨G100CAF-40時(shí)，不同粗糙度的鋁板的溫度明顯存在很小的變化，而使用TC-30TAG-8與不同粗糙度的鋁板接觸，則導(dǎo)致了溫度的顯著差異。（注意：TG30TAG8

8、是高硬度的TIM）。p,1m-aBJgEb-Ea工PftcQijremiEvaiiuatlcri4rough號(hào)urkiss(1&8CAJF4O，PrCMJro植刈Evaluationofrcughmrfacna(3OTAG9-)78.各種不同粗糙的的TC-100cafo-40和TC-30TAG-8TIM產(chǎn)品在各種壓力載荷下性能評(píng)估圖9和圖10顯示了相同鋁板使用低硬度和圖硬度TIM在分別施加了局壓（200psi）和低壓（75psi）后的T3Ster測(cè)試結(jié)果。通過(guò)診斷T3Ster的結(jié)構(gòu)函數(shù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于低硬度的TIM材料，鋁板的粗糙度不同對(duì)測(cè)試結(jié)果沒有太大的影響，這可能是由于接觸熱阻較小的緣故。然而，

9、對(duì)于高硬度TIM產(chǎn)品，由于材料表面上的接觸熱阻較大，因此鋁板粗糙度的耐熱性不同（圖9）。相較于高壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，低壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明無(wú)論是高硬度和低硬度TIM,T3Ster測(cè)試的結(jié)構(gòu)函數(shù)都顯示出了明顯差異。圖9.低硬度TC-100CAF-40和高硬度TC-30TAG-8TIM產(chǎn)品在不同粗糙度的鋁板上施加200psi壓力情況下的T3Ste結(jié)構(gòu)函數(shù)圖圖10.低硬度TC-100CAF-40和高硬度TC-30TAG-8TIM產(chǎn)品在不同粗糙度的鋁板上施加75Psi壓力的T3Ster結(jié)構(gòu)函數(shù)圖本研究的一個(gè)結(jié)論是，從圖11可以看出，鋁板表面粗糙度深度（Ra,Rz并不是TIM散熱性能的唯一決定因素，同時(shí)還需要將橫截面粗糙度曲線考慮在內(nèi)。圖12以示意圖的形式說(shuō)明了這個(gè)潛在的問(wèn)題，即一個(gè)現(xiàn)成的真實(shí)鋁板的表面的峰值將是不規(guī)律的，且峰值之間的距離相對(duì)較大。因此，在“原樣”表面，進(jìn)入間隙的空氣越多，與其他光滑表面相比，接觸熱阻越大。將低硬度熱擴(kuò)散TIM片與高硬度散熱片相比較，低硬度TIM憑借其柔軟性可填充由表面粗糙度引起的間隙，從而降低整體接觸熱阻。毫不奇怪，同樣的接觸熱阻可以通過(guò)施加高壓（比如200psi）來(lái)對(duì)TIM加壓來(lái)降低。圖11.表面粗糙度對(duì)板材的典型影響，從粗糙到光滑Rejjr困寸守：peaksaraEharpjilhkwaLaficqbelwwnHealconductingshel/TumBnnun