T3Ster——表面粗糙度对TIM的热效应研究

信越化学株式会社于90年前在日本成立，是全国最大的化学公司，在聚氯乙烯（PVC）和半导体硅领域占据世界最大份额，在国内有机硅产品中占据最大份额。 Shin-Etsu的主要产品之一是硅胶，广泛应用于工业领域，包括电气和电子，汽车，建筑，化妆品和化学品等行业。

大约40年前，Shin-Etsu决定转向制造TIM（热界面材料）。 TIM有助于电子元件中散热，并且是电子产品设计中不可或缺的一部分。TIMs的质量直接决定了电子元件与冷却系统之间的界面接触部分的散热有效性，优质的TIM可以减少空洞出现，即所谓的接触热阻。

图1.TIM在电子应用中TIM的工作原理

（图1）有机硅是一种高效的TIM，因为它既柔软又稳定，可在高温和低温范围内使用。 它是一种人造高分子化合物，其具有重复作为主链的无机硅氧烷键（Si-O），以及其侧链中的各种有机基团（图2）。 在图3所示的其物理和化学性质的蜘蛛图，可以看出它在大多数性能方面是优异的，因此适合作为TIM的基础材料。

图2.有机硅的分子组成及聚合物的物理性能

图3.有机硅与其他橡胶材料的物理化学性能

2015年以前，信越的实验室一直采用自行设计的内部测试设备测量其TIM产品的热阻。但是，他们近期购买了T3Ster瞬态热测试仪单元，用于捕获TIM产品测试过程中的复杂的瞬态热特性。，通过改变一系列的TIM变量，来验证MicReD T3Ster™硬件的性能，其中一些实验室通过将T3Ster和他们自己的内部设备连在一起协同工作来实现，并为此专门设计了一系列基准测试： a）TIM层的厚度， b）TIM层的硬度

c）TIM附着层的粗糙度。

来自MicReD强大的T3Ster Master软件及其用于量化TIM的热阻的“结构函数”方法被用于首先评估上述的案例（a）和案例（b）。 对于TIM硬度和厚度对散热性能的影响，Shin-Etsu通过调节硅树脂基橡胶在正常操作期间所处的压力，成功地利用T3Ster测量进行了确认。 实验结果表明，低硬度TIM的热扩散性能优于高硬度TIM，薄的TIM优于厚的TIM。 本文将使用T3Ster热测试方法详细讨论（c）项，即粗糙度对TIM热性能的影响。

为了评估铝板的粗糙度对于附着在铝板和陶瓷加热器之间的TIM（散热片）的性能的影响，信越的工程师们设计了一系列的测试（图4），用于分析当给陶瓷加热器加热时，同一块铝板由于粗糙度不同（通过控制刻蚀工艺实现）以及压力不同的情况下的性能差异。Shin-Etsu首先对四块铝板进行了平整度测试，其测试精度可达到亚微米量级。如图6所示，测试结果显示最大粗糙度水平在0.2至9微米之间。而图7则通过真实的截面数据，更加说明性地显示了真实的粗糙度呈现出重复性的峰值和谷值。

图4.用于评估铝板粗糙度影响的测试设备是与各种硬度的TIM接触的

图5.试验所用铝板的五种表面粗糙度照片

图6.铝板表面粗糙度和测量的详细信息

图7.铝板表面粗糙度在粗糙方向和精密方向的详细信息

Shin-Etsu选择两种TIM产品TC-30TAG-8和TC-100CAF-40应用于铝板组，以评估粗糙度的影响。 两种材料在没有铝板的情况下具有相似的散热性能，但TC-100CAF-40硬度较低（即它相对柔软），而TC-30TAG-8硬度较高，参见图8。可以看出使用TC-100CAF-40时，不同粗糙度的铝板的温度明显存在很小的变化，而使用TC-30TAG-8与不同粗糙度的铝板接触，则导致了温度的显著差异。（注意：TC-30TAG-8是高硬度的TIM）。

图8.各种不同粗糙的的TC - 100cafo -40和TC-30TAG-8 TIM产品在各种压力载荷下性能评估

图9和图10显示了相同铝板使用低硬度和高硬度TIM在分别施加了高压（200psi）和低压（75psi）后的T3Ster测试结果。 通过诊断T3Ster的结构函数发现，对于低硬度的TIM材料，铝板的粗糙度不同对测试结果没有太大的影响，这可能是由于接触热阻较小的缘故。 然而，对于高硬度TIM产品，由于材料表面上的接触热阻较大，因此铝板粗糙度的耐热性不同（图9）。 相较于高压实验时，低压实验的结果表明无论是高硬度和低硬度TIM，T3Ster测试的结构函数都显示出了明显差异。

图9.低硬度TC-100CAF-40和高硬度TC-30TAG-8 TIM产品在不同粗糙度的铝板上施加200psi压力情况下的T3Ste结构函数图

图10.低硬度TC-100CAF-40和高硬度TC-30TAG-8 TIM产品在不同粗糙度的铝板上施加75psi压力的T3Ster结构函数图

本研究的一个结论是，从图11可以看出，铝板表面粗糙度深度(Ra, Rz)并不是TIM散热性能的唯一决定因素，同时还需要将横截面粗糙度曲线考虑在内。图12以示意图的形式说明了这个潜在的问题，即一个现成的真实铝板的表面的峰值将是不规律的，且峰值之间的距离相对较大。因此，在“原样”表面，进入间隙的空气越多，与其他光滑表面相比，接触热阻越大。将低硬度热扩散TIM片与高硬度散热片相比较，低硬度TIM凭借其柔软性可填充由表面粗糙度引起的间隙，从而降低整体接触热阻。毫不奇怪，同样的接触热阻可以通过施加高压(比如200psi)来对TIM加压来降低。

图11.表面粗糙度对板材的典型影响，从粗糙到光滑

图12.表面粗糙度截面对形成的表面的接触热阻的影响示意图