界面材料BLT测试与思考

在5G、算力芯片，新能源、数字能源（光储、输变电）等高功率密度电子设备领域，能源技术的革新需求日益增长，控制半导体器件的结温在一定的低水平上稳定运行是保障设备性能与可靠性的关键，而导热界面材料（TIM）在整个散热路径中，扮演着至关重要的角色。

行业中大多数人都以为，界面热阻（包含界面材料的体热阻和接触热阻）和界面材料的热导率成反比关系，热导率越高，则界面热阻越低，事实并非如此。

同时选用八种不同热导率的Grease，在同样预紧力的情况下，做相应的测试。如下图：

测试结果显示热阻和热导率并不成反比【详细请参考文章：热测试（四）——结构函数的实际应用（2）】，分析其原因，影响界面材料的热阻的因素，除了热导率以外，还有一个重要的因素是界面材料的粘合层厚度‌（BLT）。

BLT的定义：材料在组装后形成的实际厚度，‌BLT的物理意义在于‌，它决定了热量在界面处的传输路径长度。

导热硅脂的体热阻为如下公式，

Rbulk= BLT /λTIM

Rbulk：体热阻

BLT：粘合层厚度

λTIM：材料的热导率

而界面材料的总热阻的公式为，

Rtotal= Rbulk+ Rc1+ RC2

Rtotal：总热阻

Rbulk：体热阻

Rc1：上表面接触热阻

Rc2：下表面接触热阻

由上面两组公式可以看出，较小的BLT能减少热流阻力，但过小可能导致材料无法完全填充表面微观空隙，增加接触热阻，实际上是否能降低总热阻还是一个未知数。反之，如果BLT比较大，一定会增加体热阻而导致总热阻变大，降低导热效率。‌因此，我们需要通过对界面材料BLT的实际测试去研究界面材料的整体导热能力。

在过去的很长时间内，对界面材料BLT，热导率以及接触热阻测量的设备，主要是基于ASTM D5470的技术标准，但ASTM D5470的设备有先天性不足，除了BLT，其他测量结果通常存在很大的误差，导致实际的导热能力无法被客观的评价【参考文章：热测试（七）——对ASTM-D5470稳态热流法的改良】。2025年，鲁欧智造基于瞬态热测试技术研发高精度热导率测试设备——CXTIM，在ASTM D5470的基础上，做出了革命性的改良。大量的数据表明，CXTIM可以精确测试界面材料的热导率和接触热阻。

一般来说，要测试界面材料的BLT，需要在几百Kpa的压强下，去测量粘合层厚度。CXTIM在Z方向的压强可以达到1500Kpa，移动精度是1um，可以精确测量界面材料的BLT，测试方式也非常的简单，将样品放置在测试台上，逐步加大压力，在压力下，界面材料会逐步变薄（若是膏状硅脂，多余的材料会溢出），直至压力变大而厚度不变时，这个长度即是该界面材料的BLT。

测试BLT和测试热导率的实验是一样的，选择某种导热硅脂，该硅脂标称的热导率是6.0W/mK，在同一盒包装中不同位置分别取样，测试其热导率和导热硅脂。测试结果如上图。

三次热导率分别是4.23，R2是0.9992，4.16，R2是0.9995，4.18，R2是0.9997。方差R2是实验数据常用的分析工具，线性度越高，说明数据越可靠，CXTIM的方差都达到了三个9，说明实验数据的可信度是比较高的。检测数据比标称的数据要低30%，这个差距有点大，但也基本上符合历史数据——传统的热导率设备的误差在40%左右。我们统计分析了大量的数据，发现国产的导热硅脂标称的热导率都相对偏高，多少不等，甚至有偏高200%的，而进口的导热硅脂，大部分标称值比测试值要偏低，大概10%左右。

在BLT的测试中，测得该导热硅脂的最小压缩厚度是40um，实验是从250um开始测试，最先是每减小50um测一次数据，到100um以下每减小20um测一次数据，到60um以下，每减小10um测一次数据，最终数据是40um。分析数据我们发现了一个现象，250um到100um的数据，测得热导率是4.13，R2是0.9980，而100um以上的数据，测得热导率是3.90，R2是0.9630，随着压缩厚度越来越小，热导率呈现下降趋势，而且数据可信度也随之下降。

TIM的内部结构如上图，分析上述的实验数据，可能有两个原因。一、当压缩到一定厚度以后，材料的内部结构在物理上发生了一定变化，可能会导致热导率降低；二、被压到很小的厚度后，导致接触热阻发生了变化，可能的接触关系不良使得总热阻变大。

这就带来一个问题，我们费尽心思去测量出材料的热导率，在实际应用中，可能因为工况复杂而导致模型的精度降低。材料的表面粗糙度，硬度，压力，以及和界面材料之间的浸润性等等因素，可能都会对接触热阻产生影响（参考文章：接触热阻的仿真标定，物理测量及影响因素），而接触热阻的测量，因为其复杂度几何级的上升，而导致数据精度不可能非常高。因此，为了总体优化界面热阻，‌界面材料的厚度控制，要综合考虑材料特性与工艺条件‌：液态材料（如导热膏）可通过粘度调控实现低BLT，但需避免溢出或干涸；固态材料（如弹性导热布）依赖外部压力控制BLT，通常需数百kPa压力，且界面热阻可能占总热阻主导。实际应用中，BLT需与材料导热系数协同优化，例如高导热材料可容忍稍厚BLT，而低导热材料需严格控制BLT以降低热阻。‌我们也可以用模型去预测材料的导热性能，而最终检验设计的合理性的唯一依据是结温的高低，这符合第一性原理。

有一个题外话，行业中定义接触热阻，通常用的量纲是℃cm2/W，或者是Kcm2/W，仿真软件中设置接触热阻，量纲用的也是这个。我们都知道热阻的量纲是K/W，仿真软件在设置接触热阻时，其实是把对象的面积信息也包含进去了，也就是其热阻值乘以实际的接触面积，并不是接触面的热阻值。这个值的精度其实是没有意义的，因为在同样的热阻测量精度下，只要面积能无限的缩小，就可以无限的提高这个值的精度，这和实际的物理是相悖的。因此这个量纲作为一个仿真的设置值是合理的，但作为一个测试设备的评价指标，是不合理的。

鲁欧智造的新产品CXTIM，可以精确测热导率，也可以在一定程度上测接触热阻，CXTIM的测试数据如下图：

从实际数据分析，我们发觉热导率偏低的材料，其线性度较差，而热导率比较高的材料，线性度也比较差，而中间这部分材料的线性度基本都在三个9以上（样品特殊，原因是其添加剂有一定的各项异性），这也是符合实际的物理现象的。鲁欧智造上海实验室，已部署CXTIM设备，欢迎业内专家莅临指导(现在就可以预约了)。

审核编辑 黄宇