達鉅 創伴電子報 Vol.004- 導熱材料不是配角，很多設計其實卡在這一層!

 

導熱材料（TIM）怎麼選？

從「界面卡住的那幾度」開始談起

在很多散熱設計裡，風扇、鰭片、熱管都擺好了，模擬也跑過，理論上「熱是散得掉的」，最後卻總是卡在那關鍵的幾度。

這時，問題往往不在於散熱器本體，而是「介質」: 也就是晶片與散熱器之間，那一層看似很薄、實際卻很關鍵的導熱材料（TIM, Thermal Interface Material）。

導熱材料的真正任務：把空氣趕出去

導熱材料的本質任務，其實很簡單：
晶片跟散熱器的接觸面看似平整且貼在一起，真正接觸的只是一小部分粗糙峰值；其他縫隙多半是空氣，而這些空氣是熱傳遞最大的殺手，導熱材料就是將空隙中的空氣趕出去，改成用一條更有效率的熱傳通道，來降低接觸面的熱阻（Thermal Resistance）。

 

為什麼「接觸面」會卡住熱？

工程上，我們常用 Thermal Resistance來描述熱通過材料的阻力。
TIM 的價值，不只是在「導熱係數 k（W/m·K）看起來很高」，而是它能在實際裝配條件下，把空氣造成的阻抗減少到什麼程度。

關鍵有三個面向：

1. TIM材料本身的導熱能力（k）
2. 它能不能確實填滿粗糙與公差造成的縫隙（BLT(Bond Line Thickness) / 厚度 / 可壓縮性）
3. 在實際接觸壓力下的界面表現（Thermal Impedance vs. psi）

也就是說：
同一個 TIM，在資料表上寫著 10 W/m·K，不代表鎖好螺絲之後就能得到「想像中的 10 W/m·K」。
沒有壓緊、沒有壓到設計好的厚度範圍，熱還是有機會被卡住。

 

TIM 的主流類型與定位

 實務上常見的 TIM，大致可以分成：

1. Thermal Paste（導熱膏）
2. Phase Change Material, PCM（相變材料）
3. Thermal Pad（導熱墊片）
4. Thermal Tape（導熱膠帶）
5. Graphite-sputtered Copper Thermal Film（高效銅箔單面石墨散熱片）：更偏向處理熱進入結構後，如何在平面內快速攤開、降低局部熱點，適合薄型化與均溫需求明顯的應用。

在工程與量產端，選型時通常會在幾個軸上拉扯：

• 可重工性／維修友善度
• 製程效率（手塗、點膠、印刷、貼附…）
• 厚度與「補公差」能力
• 是否需要同時提供固定／黏著功能
• 可靠度風險（泵出、乾化、蠕變、老化…）

很粗略地說，可以這樣理解它們的定位：

• Pad（導熱墊片）：
  擅長補高度差、公差與翹曲，適合需要較大 BLT、以及裝配容差比較鬆的設計。
• Paste / PCM（導熱膏／相變材料）：
  擅長做「很薄的界面」，在機構可以提供足夠壓力與平整度的情況下，通常比較有機會做到最低熱阻。
• Tape（導熱膠布）：
  在導熱與固定黏著之間提供一個折衷，同時減少機構件與螺絲，對產線組裝流程也相對友善，但導熱性能通常受到結構限制，不會是極限性能選項。
  

 

看規格，不只看 k：熱阻抗、壓力、厚度（BLT）

在選 TIM 的時候，導熱係數 k 重要，但絕對不夠。
更關鍵的，是廠商在特定測試條件下給出的：

• Thermal Resistance 數據
• 對應的 壓力（psi）
• 實際的 厚度 / BLT（Bond Line Thickness）

 

以 T-work8000 導熱墊片的資料來看，產品厚度範圍為 1.0 到 3.0 mm，熱傳導率在不同測法下有不同數值：ASTM D5470 為 15 W/m·K，ISO 22007-2 為 8.5 W/m·K。這也提醒我們，單看 k 值本身，並不足以代表真實組裝後的熱傳表現。

更值得看的是它在不同壓力下的 thermal impedance。以 1.0 mm 厚度資料來看，在 10 psi 下約為 0.185 ℃-in²/W，20 psi 約 0.122，30 psi 約 0.074，40 psi 約 0.054，50 psi 則可降到 0.046 ℃-in²/W。這個落差很清楚地說明：導熱墊片有沒有被壓緊、壓到位，對實際熱傳表現影響非常明顯。

若把不同厚度一起放進來看，趨勢會更完整。相同壓力下，1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm 的熱阻抗並不相同，而且壓縮率也會隨厚度與壓力改變；例如在 50 psi 下，1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm 的 thermal impedance 分別約為 0.046、0.059、0.064 ℃-in²/W，壓縮率則約為 79%、86%、90%。

• 厚一點的 Pad：
  比較容易補公差、適應翹曲，但材料本體熱阻與界面熱阻會一起拉高。
• 薄一點的 Pad：
  對平整度與裝配精度要求更高，但有機會取得較低的總熱阻抗。

所以，厚度不是「越厚越安全」或「越薄越好」，而是要回到系統條件來看：

• 接觸面的平整度、公差與翹曲程度
• 鎖付力／彈片力能提供的實際壓力區間
• 長期可靠度（壓縮後蠕變、結構疲勞）
• 能接受的組裝公差

 

 

從應用情境反推選型：工程與業務都能用的思路

比起一開始就問「Pad 好還是 Paste 好？」，實務上更有效的方式是先把痛點講清楚：

1. 如果痛點是「高度差、公差、翹曲」

• 優先把 Pad 類 納入考慮
• 從 D5470 的 熱阻抗 vs. 壓力曲線，對照你實際機構可以提供的壓力範圍
• 再從不同厚度的壓縮量與熱阻抗，挑出一個兼顧補公差與性能的「厚度」

這裡常見的陷阱是：
只看導熱係數選了超高 k 的厚 Pad，結果壓力不夠、壓不緊，實際熱阻抗反而比「中等 k、比較薄但壓得動」的料還要差。

2. 如果痛點是「要把熱阻壓到最低」

前提是：機構能提供穩定且足夠的壓力與平整度。

在這種情況下：

• Paste / PCM 通常比較有機會做到很薄的 BLT
• 資料表中常會出現 BLT / Thin BLT 相關欄位，對應不同塗佈條件與壓力

但同時你要評估：

• 製程：點膠、印刷、模板塗佈怎麼做？會不會溢出？
• 可靠度：會不會有泵出（Pump‑out）、乾化、污染風險？
• 維修：要不要重工？拆裝後怎麼處理界面？

這些往往是工程與製造、維修部門一起協調出來的結果，而不是只看熱性能就能決定。

3. 如果同時想解決「固定」與「導熱」

• Thermal Tape（導熱膠布） 常是第一直覺選項
• 資料裡會同時列出：厚度、導熱係數、熱阻抗，以及黏著相關規格（剝離力、剪切力、保持力）

這種類型，在「可靠度／製程／熱性能」三邊之間做折衷時很好用，特別適合拿來做一頁式比較，讓工程、業務、客戶一起對齊預期。

 

TIM 不是配角，而是熱傳遞的關鍵點

導熱材料（TIM）雖然看起來薄薄的，但在很多高功率密度、空間受限的設計裡，它其實決定了：

• 同一組散熱結構，Tj還能不能再降幾度
• 模組功率、頻率 能不能再往上推一階
• 產品在量產公差、組裝變異、長期老化之後，溫度表現是不是還守得住

與其只看 k 值堆規格，更實際的做法是：

1. 先釐清接觸面的基本條件：
• 表面平整度、公差、翹曲
• 可提供的壓力範圍與鎖付方式
2. 再回頭看：
• 適合哪一類 TIM（Paste / PCM / Pad / Tape）
• 在「熱阻抗 vs. 壓力 / 厚度」曲線上，哪一段是你真正用得到的區間
• 製程、可靠度、維修策略能不能一起支撐這個選擇

這樣選出來的 TIM，才不會只是在 BOM 上多了一條料號，而是有助於你的熱設計，把那幾度「卡在接觸面」的溫差解開。