1、T3Ster表面粗糙度對TIM的熱效應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和半導體硅領域占據世界最大份額，在國內有機硅產品中占據最大份額。Shin-Etsu的主要產品之一是硅膠，廣泛應用于工業領域，包括電氣和電子，汽車，建筑，化妝品和化學品等行業。大約40年前，Shin-Etsu決定轉向制造并且是電子產品設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的質量直接決定了電子元件與冷卻系統之間的界面接觸部分的散熱有效性，優質的TIM可以減少空洞出現，即所謂的接觸熱阻。CoolingSystemHeatflowTIMa)

2、WithoutTIMb)WithTIM圖1,TIM在電子應用中TIM的工作原理（圖1）有機硅是一種高效的TIM,因為它既柔軟又穩定，可在高溫和低溫范圍內使用。它是一種人造高分子化合物，其具有重復作為主鏈的無機硅氧烷鍵（SkO）,以及其側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的蜘蛛圖，可以看出它在大多數性能方面是優異的，因此適合作為TIM的基礎材料。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產品的熱阻。但產品測試過程中的復雜的瞬TIM（散熱片）的性能的影響,信越的工程師們設計了一系列的測試（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計的內部測試設備測量其是，他們近期購買了T3Ster瞬態熱測試儀單元，用于捕獲TIM態熱特性。，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和他們自己的內部設備連在一起協同工作來實現，并為此專門設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“結構函數”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通過調節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。實驗結果表明，低硬度TIM的熱擴散性能優于高硬度TIM,薄的TIM優于厚的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）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據，更加說明性地顯示了真實的粗糙度呈現出重復性的峰值和谷值。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產品TG30TAG8和TG100CAF-40應用于鋁板組，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測試結果。通過診斷T3Ster的結構函數發現，對于低硬度的TIM材料，鋁板的粗糙度不同對測試結果沒有太大的影響，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，低壓實驗的結果表明無論是高硬度和低硬度TIM,T3Ster測試的結構函數都顯示出了明顯差異。圖9.低硬度TC-100CAF-40和高硬度TC-30TAG-8TIM產品在不同粗糙度的鋁板上施加200psi壓力情況下的T3Ste結構函數圖圖10.低硬度TC-100CAF-40和高硬度TC-30TAG-8TIM產品在不同粗糙度的鋁板上施加75Psi壓力的T3Ster結構函數圖本研究的一個結論是，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。圖12以示意圖的形式說明了這個潛在的問題，即一個現成的真實鋁板的表面的峰值將是不規律的，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