主题：【原创】热界面材料热性能测试方法调研

        随着IT行业的发展，特别是这些年手机行业的飞速发展，出现了一些新型热界面材料，对热界面材料热性能的测试和可靠性考核提出了更高的要求。由于热界面材料的类型较多，热界面材料的热性能测试和考核方法确实比较杂乱，最近也一直有朋友和客户咨询这方面的问题。为了梳理清楚热界面材料热性能测试和可靠性考核方法，更便于提供有效的测试评价手段，我们在热界面材料热性能测试和可靠性考核方面做了一些工作，这里我们将逐步介绍这些研究工作的内容以供大家参考和讨论。

1.  前言

        热界面材料TIM（Thermal Interface Materials）作为一类用于两种材料间的填充物，是热传递的重要桥梁。这类材料是一种具有较高的导热系数，容易形变，能有效降低界面间热阻的材料。
        目前市场常用的热界面材料主要包括以下几种类型：
        （1）导热脂：导热脂是目前应用最广泛的一种导热介质，它是一种脂状物并具有一定的黏稠度，没有明显的颗粒感。
        （2）导热胶：导热胶的特点是具有一定的黏合力，可以制成各种脂状和片状形式并具有一定的柔韧性，可以很好的贴合功率器件与散热器件或填充器件之间的间隙并不易发生边缘流溢，从而达到最好的导热及散热目的。
        （3）相变导热材料：相变导热材料一般为低熔点金属复合材料薄片，在一定温度区间内会发生固液相变，并在装卡压力作用下流进并填充发热体和散热器之间的不规则间隙内，挤走空气，形成良好的导热界面。
        （4）石墨（石墨烯）垫片：石墨（石墨烯）垫片采用特殊的制作工艺，具有极佳的导热导电和耐温性能，特别适合于不需要绝缘的高温散热场合。
        衡量热界面材料的重要技术指标是导热性能，而导热性能的两个主要参数是导热系数和热阻。对于一定厚度的热界面材料，导热系数与热阻是一种互为倒数乘以厚度的关系。从理论上来说，知道热界面材料的实际厚度后，只要测量出导热系数和热阻这两个参数中的任意一个，就可以计算出另一个参数。但由于热界面材料的种类繁多，再加上热界面材料使用过程中实际厚度较小和具有加载压力的因素，使得导热系数和热阻的这个简单关系中相关量变得复杂和难以准确测量，由此使得热界面材料导热系数和热阻的测试评价方法十分混乱。
        针对目前热界面材料热性能多种测试方法并存的现状，本文对目前市场上国外厂家的热界面材料产品进行了统计和分析，并对热界面材料热性能的主要测试方法和可靠性试验方法进行了汇总，展现了国外热界面材料厂商如何选择相应的测试方法，以期对今后热界面材料导热性能测试评价技术的研究提供参考和借鉴。
        本文重点选取了美国莱尔德公司的热界面材料进行统计和分析，这主要是因为莱尔德公司相对于其他热界面材料厂商在官网上提供了最为详细的技术资料。

2.  导热脂类热界面材料

        导热脂类热界面材料是目前应用最为广泛的一种热界面材料，莱尔德公司导热脂产品的相关技术资料是众多厂家中最为全面的，尽管有些资料不是非常完整，但也是所能看到的唯一一家所提供的技术报告非常详细的公司，这为我们进行统计和分析提供了便利。

2.1. 莱尔德公司导热脂类热界面材料的热性能指标
        从莱尔德公司的官网上可以看到有五种牌号的导热脂热界面材料，根据官网所提供的各个牌号的公开技术资料，可以得到这五种牌号导热脂的导热系数和热阻数据以及相应的测试方法，如表 2.1所示。

表 2.1 莱尔德公司导热脂热界面材料导热性能指标和测试方法

2.2. 测试方法分析
        通过以上各种牌号导热脂的技术指标和各种老化考核试验结果，可以获得以下信息：
        （1）莱尔德公司对其所有导热脂产品的导热系数测试都采用的瞬态平面热源法（HOTDISK法）。HOTDISK方法对于这类脂状的热界面材料确实是非常简便和准确的方法，只需在恒定温度环境下将导热脂完全包裹住HOTDISK探头就可以进行测量，通过这种方法可以非常准确评价不同导热脂导热性能以指导工艺和生产，而且这种方法是一种绝对法，不需要其他方法进行校准。
        （2）莱尔德公司对导热脂热阻的测量还是采用经典的ASTM D5470方法，这主要是为了测量导热脂在不同加载压力下的热阻，毕竟在不同压力下导热脂的热阻值不同。
        （3）在使用HOTDISK测试方法之前，莱尔德公司是采用ASTM D5470方法测量导热系数，即在线测量出不同加载压力时导热脂的厚度值，然后再除以表 2‑1中对应的所测量得到的热阻值，就可以得到不同加载压力下的导热系数。由此可见，对于导热脂这种脂类材料，莱尔德公司现在已经摒弃了ASTM D5470这种导热脂导热系数测试方法，没有给出原因，也没有看到两种导热系数测试方法的对比测试分析。但据我们的经验和分析，这主要是因为ASTM D5470这种方法是一种相对法，测量误差要比HOTDISK方法的测试误差大很多，造成误差大的原因是在压力加载情况下导热脂的厚度很难精确测量。
        （4）莱尔德公司所有的热阻测量都没有提到测试温度，有可能按照ASTM D5470中的规定温度进行热阻测量。

3.  导热胶类热界面材料

3.1. 莱尔德公司导热胶类热界面材料的热性能指标
        导热胶类热界面材料也是目前应用非常广泛的一种热界面材料，而且导热胶的形式很多以满足不同需要，莱尔德公司将这类热界面材料归类为热填隙料（Thermal Gap Fillers）。从莱尔德公司官网上可以得到近18个系列牌号导热胶的导热系数和热阻数据以及相应的测试方法标注，如表 3.1所示。

表 3.1 莱尔德公司导热胶（填充料）类热界面材料导热性能指标和相应测试方法

3.2. 测试方法分析
        莱尔德公司的导热胶（热填隙料）类材料有脂状和片状两种形式，按照上述导热脂导热系数的测试技术逻辑，所有脂状导热胶的导热系数都应该采用HOTDISK方法进行测量。但从表 3‑1中可以看出，莱尔德公司在导热胶导热系数测试方法的选择上似乎非常混乱，采用HOTDISK方法既测量脂状导热胶也测量片状导热胶。同样，采用D5470A方法也是如此，看不出一个明显的测试方法选择原则。
        例如，对于Tputty^TM 504这种典型脂状热填隙料，导热系数测试采用的是D5470A方法，而对于相同脂状热填隙料Tputty^TM 403则采用的是HOTDISK方法。
        例如对于Tflex™ HR200这类片状热填隙料，导热系数测量采用的是HOTDISK方法，而对于具有类似硬度的片状热填隙料Tflex™ HR400则采用的是D5470A方法。
        根据HOTDISK测试方法和测试能力，HOTDISK对脂状和片状热填隙料的导热系数都可以进行测量。根据实际测试经验，我们从具体测试的便利性方面分析，认为莱尔德公司在测试方法的选择上可能有一个前提条件，这个前提条件就是粘度和清洗的便利性。在HOTDISK导热系数测试中，HOTDISK薄膜探头要与被测热填隙料接触，如果热填隙料太粘或不易清理则容易损坏HOTDISK薄膜探头。但对于D5470A方法则不存在这种现象，在D5470A方法测试中与被测热填隙料接触的是金属块。

4.  相变类热界面材料

4.1. 莱尔德公司相变材料热性能指标
        从莱尔德公司官网上可以得到近7个系列牌号相变材料的导热系数、热阻数据以及相应的测试方法标注，如表 4.1所示。

表 4.1 莱尔德公司导热胶（填充料）类热界面材料导热性能指标和相应测试方法

图 4.1 温度70℃时相变材料TPCM™ 780的厚度和热阻在不同加载压力下的测试结果

        对于在-45℃至70℃范围内始终处于相变后非常柔软状态的TPCM™ 780相变材料，莱尔德公司给出了在70℃时不同加载压力下的厚度和热阻测量值，如图 4.1所示。

4.2. 测试方法分析
        从莱尔德公司所提供的相变材料热性能技术指标可以获得以下信息：
        （1）对于在较小温度区间发生相变软化的相变材料，如相变软化温度区间50℃60℃、50℃70℃或相变点为50℃和52℃，莱尔德公司全部采用了ASTM D5470方法来进行导热系数和热阻的测量。尽管在技术指标文本中并未表明具体的测试温度，但根据逻辑分析，所进行的测量都应该在高于相变软化温度点之上的温度下进行测量，因为相变材料在相变后的导热系数才会变大、热阻才能变小，否则在相变之前测试所得到的测试结果没有实际使用价值。
        （2）HOTDISK方法可以测量体积较大的试样，也可以测量薄膜试样，按理说对于上述相变材料可以采用HOTDISK方法中的薄膜模块进行测量，但莱尔德公司并未使用HOTDISK中的薄膜导热系数测试方法。莱尔德公司的相变材料都非常薄，如表 4.1所示厚度都在0.5mm以下。而且在相变后，相变材料的延展性和弹性并不是很好，我们分析如果用两片相变薄膜材料夹持HOTDISK探头进行导热系数测量，薄膜材料有可能不能完整的夹持住同样厚度的HOTDISK薄膜探头，有可能在探头的边缘形成断层，这样就无法有效的进行测量。
        （3）对于TPCM™ 780这种比较特殊的相变材料，它的软化温度范围是-45～70℃。这就意味着在室温环境和一般测试条件下，TPCM™780相变材料都处于一种柔软的相变后状态。尽管TPCM™ 780相变材料的厚度在0.203～0.605mm范围内，但通过多层材料叠加做出较厚的试样来进行HOTDISK方法导热系数测试是完全可行的。当然，具体到采用HOTDISK方法中的块状测量模型还是薄膜测量模型，这里莱尔德公司并未给出任何说明。但由于TPCM™ 780相变材料的特殊性，从理论上来说，HOTDISK中的两种测试模型都可以用。
        （4）如图 4‑1所示，从莱尔德公司给出的TPCM™780相变材料厚度和热阻在不同加载压力下的测试结果可以看出，厚度和热阻的变化曲线规律完全相同，这意味着在整个压力变化过程中相变材料的导热系数是个常数，这本身也符合材料的热性能规律，即热阻的变化是因为厚度变化引起，而导热系数始终不变。再具体按照曲线中的数据进行计算，当在20psi 压力下，相变材料厚度为0.0018in（0.0279mm），此时热阻为0.041℃-cm^2/W，那么计算可以得到此时的导热系数应该为11.14W/mK左右。当在60psi 压力下，TPCM™ 780相变材料厚度为0.0011in（0.0457mm），此时热阻为0.025℃-cm^2/W，则计算获得的导热系数应该为11.18W/mK左右。由此可见，通过D5470方法获得的TPCM™ 780相变材料导热系数在11.14W/mK左右，而莱尔德公司采用HOTDISK测试方法得到的导热系数为5.4W/mK，几乎比D5470方法的数据小一半以上。我们估计这主要是由于在采用ASTM D5470方法测试过程中，被测相变材料的厚度不到30微米，而测量用千分表的不确定至少也要有几个微米，再加上试样厚度的不均匀性以及高导热系数所带来的试样两侧温度测量误差所带来的结果。也就是说，对于很薄的高导热系数相变材料，ASTM D5470方法并不太适用。

5.  石墨片类热界面材料

5.1. 莱尔德公司石墨垫片热性能指标
        在莱尔德公司官网上颁布了2个系列牌号石墨片的导热系数、热阻数据以及相应的测试方法标注，如表 5.1所示。

表5.1 莱尔德公司导热胶（填充料）类热界面材料导热性能指标和相应测试方法

5.2. 测试方法分析
        从莱尔德公司所提供的石墨片热性能技术指标可以获得以下信息：
        （1）莱尔德公司石墨片产品的导热系数具有明显的方向性，这也是石墨片这种典型热界面材料的典型特征，即石墨片的面内导热系数要远远大于厚度方向上的导热系数。
        （2）对于TGON™ 800石墨片，莱尔德公司给出的厚度方向上导热系数为5W/mK，面内导热系数为240W/mK。厚度方向上的导热系数与相变材料TPCM™ 780的导热系数基本相同，但很奇怪的是莱尔德对TGON™ 800石墨片材料的导热系数测量采用的是ASTM D5470。而且，对于巨大的面内方向导热系数测量也采用的是D5470，而且还测试出了数据。更奇怪的是热阻测量结果在0.42~1.07℃-cm^2/W范围内，比具有类似导热系数的TPCM™ 780相变材料热阻0.025℃-cm^2/W大出了至少20倍。这里就存在两个疑惑，一是测试方法D5470是否适用于石墨片热界面材料，二是石墨片热界面材料的自身热阻和与其他材料的表面贴合性都存在比较大的现象。特别是石墨片热阻测量结果显示，石墨片的热阻还不如一般的导热脂热阻小，但石墨片的优势可能是在于耐高温。
        （3）对于TGON™ 9000石墨片，莱尔德公司给出的厚度方向上导热系数为15W/mK，面内导热系数范围为500～1900W/mK。对于这种更高导热的石墨片莱尔德公司采用了激光脉冲法分别在两个方向上进行了测量。激光脉冲法对于石墨片厚度方向导热系数的测量本身就有比较高的准确性，但在面内方向导热系数测量上则存在很大的测试波动，表 5.2列出了莱尔德公司TGON™ 9000系列五种规格石墨片面内导热系数测试数据，从中可以看出具有明显的波动，最小波动也有±7%。很奇怪的是，随着导热系数的降低，波动率反而增大，从激光脉冲法测试原理上讲，导热系数越大测量误差越大，波动率也就越大。

表 5.2 莱尔德公司TGON™ 9000系列5种规格石墨片面内导热系数性能表（W/mK）

        （4）对于TGON™ 9000石墨片这种具有很高导热系数的热界面材料，莱尔德公司并没有给出相应的热阻测量结果，而这恰恰是一个非常重要的技术指标。

6.  结论

        通过以上对莱尔德公司各种热界面材料技术参数的分析可以看出莱尔德公司对热界面材料的热性能测试采用了三种测试方法，分别为改进的ASTM D5470方法、HOTDISK方法和闪光法，这三种方法也是目前业界普遍认可和使用的方法。
        综合上述统计，还可以发现有时测试方法使用比较混乱，我们将在以后的工作中对这些现象进行研究和分析。