T3Ster——表面粗糙度對TIM的熱效應(yīng)研究

1、T3Ster表面粗糙度對TIM的熱效應(yīng)研究信越化學株式會社于90年前在日本成立，是全國最大的化學公司，在聚氯乙烯（PVQ和半導體硅領(lǐng)域占據(jù)世界最大份額，在國內(nèi)有機硅產(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）有機硅是一種高效的TIM,因為它既柔軟又穩(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)作為主鏈的無機硅氧烷鍵（SkO）,以及其側(cè)鏈中的各種有機基團（圖2）。在圖3所示的其物理和化學性質(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)品測試過程中的復(fù)雜的瞬TIM（散熱片）的性能的影響,信越的工程師們設(shè)計了一系列的測試（圖4）,用于分析當給陶瓷加熱器加熱時，同一塊鋁圖3.有機硅與其他橡膠材料的物理化學性能2015年以前

4、，信越的實驗室一直采用自行設(shè)計的內(nèi)部測試設(shè)備測量其是，他們近期購買了T3Ster瞬態(tài)熱測試儀單元，用于捕獲TIM態(tài)熱特性。，通過改變一系列的TIM變量，來驗證MicReDT3Ster?硬件的性能，其中一些實驗室通過將T3Ster和他們自己的內(nèi)部設(shè)備連在一起協(xié)同工作來實現(xiàn)，并為此專門設(shè)計了一系列基準測試：a） TIM層的厚度，b） TIM層的硬度c） TIM附著層的粗糙度。來自MicReD強大的T3SterMaster軟件及其用于量化TIM的熱阻的“結(jié)構(gòu)函數(shù)”方法被用于首先評估上述的案例（a）和案例（b）。對于TIM硬度和厚度對散熱性能的影響，Shin-Etsu通過調(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測量進行了確認。實驗結(jié)果表明，低硬度TIM的熱擴散性能優(yōu)于高硬度TIM,薄的TIM優(yōu)于厚的TIM。本文將使用T3Ster熱測試方法詳細討論（c）項，即粗糙度對TIM熱性能的影響。為了評估鋁板的粗糙度對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（通過控制刻蝕工藝實現(xiàn)）以及壓力不同的情況下的性能差異。首先對四塊鋁板進行了平整度測試，其測試精度可達到亞微米量級。如圖6所示，測試結(jié)果顯示最大粗糙度水平在0.2至9微米之間。而圖7則通過真實的截面數(shù)據(jù)，更加說明性地顯示了真實的粗糙度呈現(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.用于評估鋁板粗糙度影響的測試設(shè)備是與各種硬度的VVV圖5.試驗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量的詳細信息圖7.鋁板表面粗糙度在粗糙方向和精密方向的詳細信息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（即它相對柔軟），而TG30TAG8硬度較高，參見圖8。可以看出使用TG100CAF-40時，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測試結(jié)果。通過診斷T3Ster的結(jié)構(gòu)函數(shù)發(fā)現(xiàn)，對于低硬度的TIM材料，鋁板的粗糙度不同對測試結(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）。相較于高壓實驗時，低壓實驗的結(jié)果表明無論是高硬度和低硬度TIM,T3Ster測試的結(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以示意圖的形式說明了這個潛在的問題，即一個現(xiàn)成的真實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較大。因此，在“原樣”表面，進入間隙的空氣越多，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施加高壓（比如200psi）來對TIM加壓來降低。圖11.表面粗糙度對板材的典型影響，從粗糙到光滑Rejjr困寸守：peaksaraEharpjilhkwaLaficqbelwwnHealconductingshel/TumBnnun