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近年来，小型化、集成化已成为电子设备的发展趋势。随着电子设备功率的不断增加，产生的热量急剧增加。

热界面材料（Thermal Interface Material, TIM）能够有效改善两个固体界面之间的传热，对电子设备的性能、使用寿命和稳定性起着重要的作用。在这种情况下，对热管理提出了更高的要求，TIM的创新和优化也备受关注。

本文综述了TIM的最新研究进展，讨论了应用广泛的高分子材料的流变性建模与设计，讨论了导热填料对复合材料性能的影响。许多研究表明，一些高热导率和低损耗陶瓷填充聚合物很适合用于电子器件封装。

制备用于电子封装的高导热高分子复合材料一直是人们关注的问题。最后对存在的问题进行了讨论，并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：热界面材料；热导率；热管理；建模

介绍

什么是热界面材料?

近年来，小型化、集成化已成为电子设备的发展趋势。随着电子设备功率的不断增加，产生的热量急剧增加[1-5]。

由于形貌上的粗糙度，当两个实体表面相连接时，只有表面的一小部分有实际接触[6-10]，其余的区域将被一个充满空气的空隙隔开，由于空气的导热系数（0.026 W/mK）比金属的导热系数低4个数量级，所以通过空气的界面传热可以忽略不计。

大量的热流将通过实际的接触点，这是一个严重的热瓶颈，即使是非常低粗糙度的基板。如图1所示，其本身表现为界面上的温度差。因此，TIM被放置在两个相匹配的表面之间，以增加界面上的热导。

图1 TIM的工作原理示意图。

缺少TIM的界面会有非常集中的热流，导致界面具有大幅度温差。TIM填补了空隙，降低了界面上的温差。

TIM通常由一种柔顺的材料制成，可以填充两个表面之间的空隙，从而增加有效接触面积。

理想的TIM只会用导热材料填充界面上的现有空隙，而实际应用中，TIM层会在两个接触面之间产生间隙，但与环境流体相比，TIM导热系数的提高仍然会对界面传热有很大的改善。

在电子封装中，TIMs通常用于两种固体材料之间的所有接触界面。通常这些界面产生在发热器件和集成散热器（IHS）之间，以及IHS和散热片之间。这两个TIM的应用分别称为TIM1和TIM2，如图2所示。

图2 具有两个TIMs的典型球栅阵列（BGA）电子封装示意图。

热量通过BGA芯片的背面传导，芯片和IHS之间，以及IHS和散热器之间都存在TIMs。不同应用的TIM分别称为TIM1和TIM2。

封装类型有TIM直接连接裸片和散热器的封装，及芯片和散热器之间有两种以上TIM的封装[11]。TIM的热性能通常根据其界面热阻（RTIM）来评估，界面热阻是衡量热在界面上消散困难程度的指标。根据傅里叶定律，与界面上的温度差（∆T）有关，为∆T=RTIM Q，其中Q为热通量。界面热阻的最小化是TIM发展的一个主要目标。

界面热阻可被划分为阻性元件，对于一个典型的TIM：

RTIM 是总界面热阻，Rc1和Rc2分别是TIM两面和基片之间的接触热阻，λTIM为TIM的导热系数，BLT为粘结层厚度，如TIM的厚度。根据TIM的类型和应用，方程的不同项或多或少会对总体性能产生影响，在选择或设计TIM时，确定要优化哪些参数非常重要。

Rc—在基片和TIM之间，有一个取决于热接触的热阻。这种接触热阻取决于TIM与衬底的贴合程度和空隙填充的程度，它受TIM的顺应性以及对基片的浸润程度的影响，并可以非常依赖于对TIM施加的压力。两种不同的材料，即使具有原子级光滑的表面，由于界面上的声子或电子散射也会存在边界热阻，这种效应被称为卡皮查热阻。

TIM 的BLT是两个表面分离程度的度量，即TIM的厚度。由于TIM的导热系数仍然明显低于任何一种基底，因此希望尽量减少BLT，更低的BLT意味着更少的材料使用，通常也会花费更低的成本。

理想情况下，TIM只填充原始界面中的空白，但在实际操作中，由于不均匀的TIM覆盖，以及由于热膨胀系数（CTE）不匹配导致的热循环过程中的可靠性问题，很薄的粘合层可能导致空洞。

对于液体形式的TIMs，BLT不仅受到材料数量的影响，还受到材料粘度和夹紧压力的影响。此外，对于填充了固体颗粒的TIM，填充剂的大小可以限制BLT的厚度；对于作为衬垫应用的TIM, BLT受到操作和机械要求的限制。

TIM的导热系数（λ）是衡量材料本身导热性能的参数，高导热系数的重要性与BLT成正比，即对于非常低的粘结层厚度，接触热阻占主导地位，而对于较厚的TIMs导热系数成为一个关键参数。

近年来，行业内对降低RTIM有很大的动力，芯片的热流是不均匀的[13,14]，因为内核和缓存都在同一个裸片上。大部分能量从芯片的一个非常小的区域——内核消散，但即使在内核内部，热通量（q）也是不均匀的。

Mahajan[13]等讨论了裸片热通量不均匀的问题，并证明冷却方案不仅需要保持芯片平均温度值低于设计点,同样重要的是维持最热处的温度值也低于一定的设计点。因此，芯片附近的热问题非常严重。非均匀发热的总热阻可以写成[15]：

Ψj-a是结到环境热阻, Rjc为裸片均匀发热情况下结到封装热阻, Ψcs为封装到散热片的热阻, Ψsa散热片到环境的热阻。式（2）中的DF称为“密度因子”，它可以解释q和裸片尺寸的不均匀性。DF的单位是cm-2，对于1cm2均匀发热的芯片，DF等于1。

对于大多数微处理器来说，由于q的高度不均匀性和裸片尺寸小的原因，DF通常大于1；但是理论上，对于尺寸非常大的裸片，DF可以接近零。根据式（2）, Rjc和DF的减少会导致Ψj-a降低；如果DF大于1, Rjc的降低会导致Ψj-a更大的降低。由于Rjc主要是TIM的热阻，这使得电子器件冷却行业又更大的动力开发更好的TIMs。

理想的TIM应该由具有高导热性和低接触热阻的薄粘结层材料组成。然而，除了界面热阻之外，在选择或设计TIM时还需要考虑许多其他参数。如TIM是否具有电绝缘性、机械性能相关的参数，这些参数将影响其操作性和可靠性。TIM可以是液态或固态，可以有不同的操作方式。

液态状TIM有点不好处理和BLT不确定, 但如果粘度足够低，通常能够渗入孔隙；而作为衬垫应用就非常简单，但可能无法与基底很好的吻合。一致性参数的重要性取决于衬底的粗糙度和平整度。

操作过程中，液态TIMs的易受影响对其可靠性有负面效果。在热循环过程中，封装会发生机械形变，导致TIM进一步扩散，材料最终从表层间挤出，这种泵出效应是TIM的一个重要问题。另一个需要考虑的是TIM能否作为粘合剂，或是否需要外部压力。

液态TIM在操作过程中需要施加压力与整个器件系统结合在一起，同时也取决于TIM的粘度。固态TIMs在处理和操作过程中通常都需要很大的压力才能使其与基底符合。另一方面，也有TIMs作为两个基片的粘合剂，尽管会有分层导致的可靠性问题，但在操作过程中不需要任何外部压力。

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