相變導熱墊片如何降低界面熱阻?從接觸熱阻公式看縫隙填補設計

立興複合材料相變導熱墊片(LXPCM)產品特寫:粉色墊片中央呈現紫色相變軟化區域,於模糊工業實驗室背景前

高功率晶片與散熱器即使鎖固到位,實際接觸面在顯微尺度下仍佈滿微小凹凸;傳統固態導熱墊片只能貼合部分接觸點,殘留的空氣間隙會讓熱傳路徑多一段阻力。對伺服器、車用電子等高熱負載模組而言,這段介面熱阻常常是整體散熱設計中最容易被低估的一環。

相變導熱墊片系列(LXPCM)是立興複合材料針對這個問題設計的介面材料;正式產品頁列出其導熱係數達 4 W/m·K、相變溫度介於 45°C 至 55°C(ASTM D2240)、熱阻抗低至 0.08 °C·in²/W(ASTM D5470)。這類材料在達到相變溫度後會逐漸軟化,如液體般滲入接觸面的微觀不平整處。

界面熱阻為何存在、又如何被降低

在微觀尺度下,兩個固體表面實際接觸的只是少數凸起點,其餘空間是充滿空氣的間隙。空氣導熱係數極低,會在介面處形成明顯的熱阻。相變材料軟化後可取代這些間隙中的空氣,以密度 2.8 g/cm³(ASTM D792)的半固態材料建立更連續的接觸,藉此降低間隙造成的那部分熱阻。

工程公式:以界面(接觸)熱阻模型看間隙填補的效果

Rj = ΔT / Q = 1 / (hj × Aa),且 1/Rj = 1/Rs + 1/Rg,是滑鐵盧大學(University of Waterloo)ECE 309 課程資料中描述的界面(接觸)熱阻模型。Rj 為界面熱阻(K/W)、Q 為通過界面的熱傳率(W)、ΔT 為界面兩側固體表面溫差(K)、hj 為界面熱傳導係數(W/(m²·K))、Aa 為名義接觸面積(m²);Rs 為表面微凸起接觸產生的熱阻,Rg 為間隙介質產生的熱阻。該課程資料說明,Rs 與 Rg 屬並聯關係,且在多數微電子應用中(界面溫度約 300K 至 450K)輻射熱傳可忽略。此模型顯示,用較高導熱的介質(如軟化後的相變材料)取代間隙中的空氣,可降低 Rg、進而降低整體界面熱阻;實際數值仍受接觸壓力、表面清潔度與負載循環影響,並非本產品的實測規格或性能保證。

設計重點

  • 相變溫度 45°C~55°C,對應多數電子元件的正常工作溫升區間。
  • 熱阻抗低至 0.08 °C·in²/W,適用於高功率模組與伺服器等高熱負載場景。
  • 導熱係數 4 W/m·K,搭配軟化後的間隙填補能力共同影響整體散熱表現。
  • 耐溫範圍 -40°C 至 125°C,可對應長期冷熱循環的可靠度需求。
  • 厚度可依實際貼合面與裝配公差客製化。

應用場景與選型提醒

官方產品頁將此系列定位為高階電子製程、功率模組與車用電子的散熱介面材料。選型時建議先確認發熱元件與散熱器間的實際間隙、裝配壓力與相變溫度是否落在系統正常工作溫升範圍內,再以模組實測驗證界面熱阻是否符合系統散熱需求。

若正在評估高功率模組的散熱介面設計,可由相變導熱墊片系列產品頁核對公開規格,並安排樣品進行系統驗證。

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