导热界面材料填到三成，热阻怎么反着走

石墨烯填料从 15% 加到 30%，导热系数涨了六成，1000 瓦芯片的结温反而高了 2.5 度。接触热阻从 0.05 涨到 0.095 开平方厘米每瓦，涨幅盖过了体热阻的下降。界面层的总热阻在 15% 附近触底，此后加填料等于给自己加阻。

一句话答案 填料超过 15% 后开始团聚，接触热阻涨到 0.095 开平方厘米每瓦，涨幅盖过体热阻的下降，界面总热阻回升 7%，结温超限。

界面层是三个热阻串起来

导热界面材料（Thermal Interface Material，TIM）是指夹在芯片与冷板之间、用来填平微观空隙的那一层。它的作用不是导热本身，是把两块金属之间的空气换成导热更好的介质。

空气的导热系数 0.026 瓦每米开，铜是 400，硅是 150。两个磨到 3.2 微米粗糙度的表面压在一起，真实接触面积只有名义面积的 5% 左右，剩下 95% 是空气。

封装本身的翘曲也要算进去。1000 瓦的芯片在回流后翘曲 50 到 80 微米，冷板平面度 25 微米，两个面贴上去，中间的最大间隙不是 3.2 微米，是 80 微米。

所以界面层的热阻由三段串联：材料的体热阻、上界面的接触热阻、下界面的接触热阻。界面温升等于热流密度乘（厚度除导热系数加接触热阻）。

1000 瓦芯片、4 平方厘米封装，热流密度 250 瓦每平方厘米。这个量级下，厚度 50 微米、导热系数 5.5 瓦每米开的材料，体热阻 0.091 开平方厘米每瓦，折 22.7 开。

结温的算法也要统一。用壳温加热阻算出来的结温偏乐观，因为热阻是稳态值，瞬态热点会比平均值高 10 到 15 开，芯片内部的温度传感器读的又是另一个点。

图 1　芯片到冷却水的热阻串联路径，界面层由体热阻与两个接触热阻组成（自行绘制，为原理示意，非原文原图复制）

填料加到三成为什么反弹

结论是：填料含量存在最优点，越过之后接触热阻的上升速度快于体热阻的下降速度。

填料把基体的导热系数从 1.5 拉到 12 瓦每米开，体热阻从 0.333 掉到 0.042，降了八倍。石墨烯填料从 2021 年起被批量研究，团聚这条曲线一直没变，变的只是基体和偶联剂；颗粒超过 15% 后开始团聚，与表面的实际接触面积减少，接触热阻从 0.05 涨到 0.095。

团聚还会带来第二个后果：浆料黏度上升，涂布厚度不均匀，局部薄的地方接触好、厚的地方成了热阻。批量生产时这一项比实验室数据更难控。

渗流阈值是另一个拐点。填料体积分数超过 30% 后颗粒形成连续通路，导热系数跳升，但黏度也跳升，涂布厚度公差从正负 5 微米放到正负 15 微米。

粒径分布也决定拐点位置。5 微米的片状填料比 20 微米的球形填料比表面积大六倍，同样质量分数下更容易团聚，最优点会从 15% 前移到 10%。

两边相加，界面总热阻 15% 时 0.141，30% 时 0.151，45% 时 0.172。导热系数最高的那一档，总热阻反而最差。

压力换来的温度更便宜

把厚度从 50 微米压到 25 微米，界面温升从 35.2 开降到 23.9 开，省 11.3 开。这笔收益比换材料来得快。

代价在压力上。25 微米厚度需要 60 psi 的装配压力，而封装允许的上限是 30 psi。超过上限，芯片边缘的焊点会先开裂。

压力与厚度的关系不是线性的。30 psi 下 50 微米，45 psi 下 38 微米，60 psi 才到 25 微米。从 50 压到 38 只要多 15 psi，从 38 压到 25 要再多 15 psi，收益递减。

30 psi 这个上限不是拍脑袋定的。LGA 封装允许 50 牛每平方厘米，折下来就是 30 psi 出头，再高焊球会蠕变，热循环几百次后接触电阻反而变大。

可用的替代是降粗糙度。冷板表面从 3.2 微米抛到 1.6 微米，接触热阻减半，界面温升从 35.2 开降到 29 开，省 6.2 开，不需要加压力。

压力的分布也要看。四角螺钉对角拧，实测四角的压力比中心高 30%，界面温差能差 8 开。中间那一块往往是热点，却分到最小的压力。

图 2　填料含量对导热系数、体热阻、接触热阻与界面总热阻的影响，总热阻在 15% 处触底（自行绘制，按本文测算数据重绘）

按 1000 瓦走一遍选型

按以下约束走一遍选型。单芯片 1000 瓦、封装 4 平方厘米、冷却水 50 摄氏度、冷板对流温升 18 开、结温上限 105 度、装配压力不超过 30 psi、单芯片材料成本不超过 3 元。

候选三个：无填料硅脂、15% 石墨烯填料、30% 石墨烯填料。无填料那一档的界面温升 108 开，结温 176 度，直接出局。

逐项对比：体热阻 0.333、0.091、0.056；接触热阻 0.100、0.050、0.095；界面温升 108.3、35.2、37.7 开；折算结温 176.3、103.2、105.7 度。

选定 15% 填料，并把冷板表面粗糙度收到 1.6 微米。结温降到 97 度，余量 8 度。

代价有两条：石墨烯浆料要现配现用，存放超过 4 小时会沉降分层；表面抛光增加一道工序，单件成本涨 0.4 元。

成本拆开看：石墨烯浆料 2.6 元，抛光 0.4 元，合计 3.0 元，正好压在 3 元上限。换 30% 填料的浆料单价高 0.8 元，但结温超标，等于白花。

表注：热流密度按 1000 瓦除 4 平方厘米计；体热阻为厚度除导热系数，接触热阻为两个界面的合计值，随填料含量非单调变化；判定列按水温 50 度加冷板对流 18 开折算结温，上限取 105 度。

泵出把出厂数据改掉

界面层真正的寿命问题不是导热系数衰减，是材料被热循环挤出去。

1000 次热循环后，厚度从 50 微米涨到 90 微米，体热阻 0.091 变 0.164，界面温升 35.2 开变 53.4 开，结温从 103 度推到 121 度，触发降频。

原因是材料的热膨胀系数与铜、硅差一个量级，每次升温都把浆料往边缘推一点，中间形成负压，空气补进来。出厂只测一次稳态，看不出这条曲线。

泵出的速率跟面积和温差有关。4 平方厘米的芯片、55 开的温差，前 200 次循环就能把中间抽空，之后趋于稳定；面积翻倍，抽空速度大约按边长比放慢。

处置办法是改用相变材料或加挡墙结构，把边缘的迁移路径堵住。代价是相变材料要 85 度以上才流平，冷启动阶段的热阻比硅脂高两成。

挡墙的做法是在冷板上铣一圈 0.2 毫米深的槽，让材料被挤到边缘时有地方堆，不至于爬出接触区。这道工序几乎不增加成本。

相变材料还有一条隐性成本。它在 45 度以下不流动，冷板首次上电时界面是干的，热阻比硅脂高 40%，要等芯片自己热起来才贴合。

只比导热系数的后果

行业选 TIM 只看一个数：导热系数，单位瓦每米开。这个数在厚度趋近于零时才有意义，而实际装配厚度由压力与平面度决定，不由材料决定。

测试方法也在推着大家看错指标。ASTM D5470 测的是夹在两块抛光铜柱之间的总热阻，铜柱粗糙度 0.5 微米，远好于实际冷板，测出来的接触热阻被系统性低估。

加速老化的折算也要说清楚。1000 次 0 到 100 度的循环，按每天一次启停折 3 年，按每天 4 次折 8 个月。数据中心不停机，真正跑的是小幅温度波动，幅度小但次数多。

按公开参数测算，导热系数从 5.5 抬到 12，界面温升只降 0.5 开，因为体热阻已经不是主项；而把表面粗糙度从 3.2 收到 1.6 微米，同样不换材料就能降 6.2 开。

还有一个各向异性的问题。石墨烯片在面内方向的导热是厚度方向的 3 到 5 倍，而界面层要的恰恰是厚度方向。浆料涂布时的剪切会让片层躺平，厚度方向的导热被打折。

可证伪的边界是：若体热阻占总热阻的比例低于 30%，继续换高导热材料就没有意义，钱该花在平面度与压力上。本例 45% 填料时体热阻占比 24%，已经越过了这条线。

一句话 界面层的热阻由最薄的那一段决定，而最薄的那一段往往是接触面，不是材料本身。

文献依据：开放获取文献的独立解读

文献标题：Noncured Graphene Thermal Interface Materials for High-Power Electronics: Minimizing the Thermal Contact Resistance

作者：Sriharsha Sudhindra、Fariborz Kargar、Alexander A. Balandin

期刊卷期：Nanomaterials，2021 年，第 11 卷第 7 期，文章号 1699

DOI：10.3390/nano11071699

第二来源：Materials，2024 年，第 17 卷第 13 期，文章号 3103，DOI 10.3390/ma17133103

配图说明：图 1 为自行绘制的热阻串联路径示意；图 2 为自行绘制，按本文测算数据重绘，非原文原图复制

改动声明：基于开放获取文献的独立解读，标题、结构、行文、表格、案例与配图为原创

来源：21ic电子网