臺灣博碩士論文加值系統

在電子構裝散熱中，為了降低散熱模組與發熱源間的表面接觸熱阻，故需要使用熱介面材料(Thermal Interface Material, T.I.M.)以填補介面中的空隙，達到提升熱傳效果。本論文主要目的為以實驗方法去討論不同粒徑之氮化硼與氮化鋁粉末，分別搭配不同的高分子材料，探討其對於熱傳導係數所造成之影響，同時在實際應用上能有效的降低系統熱阻。
本論文實驗分為四大部分：第一部分為T.I.M.量測平台的穩定性分析，第二部份為Thermal Pad之研發，第三部份為Thermal Grease之研發，第四部份為Dummy Heater系統熱阻性能測試。
由實驗結果可以發現，而在Thermal Grease量測部分利用道康寧TC-5121及信越7762，T.I.M.量測平台所測得之熱傳導係數準確性誤差都在5%以下；而在Thermal Pad量測部分利用SAINT-GOBAIN先進材料公司所提供之2種樣品，T.I.M.量測平台所測得之熱傳導係數之準確性誤差皆在10%以下。由此可得知本量測平台有良好的準確性及穩定性。在Thermal Pad實驗部分以矽橡膠及矽凝膠為底材搭配不同粒徑氮化硼作適當搭配可得到2.55(W/m.K)高熱傳導性之熱介面材料。而在Thermal Grease實驗部分隨著PEG比例提高可以得到更高之熱傳效果，然而Cooler熱阻也會隨之提升，實驗結果之最佳配方為添加30wt%之PEG。




關鍵詞：熱介面材料、熱傳導係數、Thermal Grease、Thermal Pad。

目　錄
頁次
摘要………………………………………………………………..……………………………i
致謝………………………………………………………...…………………………………iii
目錄……………………………………………………………………………………………iv
圖目錄…………………………………………………………………………………………vi
表目錄………………………….………………………………………………………………x
第一章　緒論………………….…………………………………………………………1
1-1前言………………...…………………………………………………………………1
1-2研究動機及目的…………...…………………………………………………………3
1-3文獻回顧…………………...…………………………………………………………4
第二章　實驗依據及理論模式………….……………………………………………………8
2-1實驗依據………………………...…………………………………………………8
2-1.1 試誤法…………………..……………………………………………………8
2-4.2 Bi-mode………………….……………………………………………………8
2-2材料的熱力性質………………….…………………………………………………10
2-3 ASTM—D5470理論分析…………………………………………………………12
2-3.1金屬材料熱傳導係數理論分析…..…………………………………………13
2-3.2 Thermal Pad熱傳導係數理論分析…………………………………………15
2-3.3 Thermal Grease熱傳導係數理論分析…...…………………………………18
第三章 實驗設備與方法………………………………………………………………19
3-1實驗設備及實驗材料………………………………………………………………19
3-1.1 T.I.M.量測平台與治具設計製作…………………………………………19
3-1.2電源供應器與訊號接受……………………………………………………23
3-1.3可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller）…………………26
3-1.5 spacer之設計製作…………………………………………………………27
3-1.6 T.I.M.量測平台整合主體架構……………………………………………28
3-1.7 Dummy Heater熱阻測試機………………………………………………31
3-1.8 Semi-auto Mixer(脫泡機)…………………………………………………32
3-1.9 Three-roll Mill(三滾筒混練機)…………...…………………………………32
3-1.10 烘箱……………………………………..…………………………………33
3-1.11 實驗材料…………………………………………………………………33
3-2 儀器校正與實驗步驟…………………………...…………………………………37
3-2.1 實驗前儀器校正…………………………………………………………37
3-2.1.1 檢查T型熱電偶檢查……………………………………………37
3-2.1.2 溫度表頭之效正…………………………………………………37
3-2.2熱介面材料之熱傳導係數量測操作流程…………………………………38
3-2.2.1 Thermal Pad……………………………………………………… 38
3-2.2.2 Thermal Grease……………………………………………………39
3-2.3 T.I.M.量測系統操作注意事項…………………………………………40
3-3 Thermal Pad製作過程…………………………………...…………………………42
3-4 Thermal Grease製作過程……………………………..……………………………43
第四章 結果與討論………………………………………………………………...…44
4-1 T.I.M.量測系統穩定性分析實驗…………………………………………………45
4-1.1 Thermal Pad量測系統穩定性分析結果與討論…………………………45
4-1.2 Thermal Grease量測系統穩定性分析結果與討論………………………55
4-2 Thermal Pad之研發………………………………………………………………64
4-2.1矽橡膠及矽凝膠對熱傳導係數影響之實驗結果及討論…………………64
4-2.2以不同粒徑搭配對熱傳導係數影響之實驗結果及討論…………………73
4-3 Thermal Grease之研發……………………………………………………………85
4-3.1 Single-mode填充比率對熱傳導係數影響之實驗結果及討論…………85
4-3.2 Bi-mode填充比率對熱傳導係數影響之實驗結果及討論………………96
4-3.3聚乙二醇填充比率對熱傳導係數影響之實驗結果及討論……………101
4-4 Dummy Heater系統熱阻測試之實驗結果與討論………………………………109
第五章 結論…………………………………………………………………………124
附錄A 熱介面材料編號說明……………………………………………………………125
參考文獻 …………………………………………………………………………………126

圖目錄
圖1-1 T.I.M.說明圖例……………………………………….………………………………1
圖2-1 粒徑搭配示意圖……………………………………...………………………………9
圖2-2 ASTM D5470熱傳模擬圖………………………….………………………………12
圖2-3 熱介面材料之熱分析系統………………………….………………………………15
圖2-4 不同厚度之Thermal Pad……………………………………………………………16
圖2-5 Thermal Pad 系統壓力 V.S. 厚度…………………………………………………16
圖2-6 Thermal Pad 系統壓力 V.S. 熱阻…………………….…………………………...17
圖2-7 Thermal Pad 厚度 V.S. 熱阻………………………………………………………17
圖2-8 Rth,tot與L之關係圖…………………………………….……………………………18
圖3-1 上治具設計資料……………….……………………………………………………21
圖3-2 下治具設計資料………….…………………………………………………………22
圖3-3 電源供應器箱體面版介面………….………………………………………………23
圖3-4 電源供應器箱體背面接點…………………….……………………………………25
圖3-5 電源供應器箱體基本尺寸…………………….……………………………………26
圖3-6 風扇鰭片實體圖……………………………….……………………………………27
圖3-7 spacer設計圖…………………………………..……………………………………28
圖3-8 T.I.M.冶具圖…………………………………...……………………………………29
圖3-9 T.I.M.量測平台系統是意圖…………………...……………………………………30
圖3-10 T.I.M.量測平台實體圖………………….…………………………………………30
圖3-11 Dummy Heater量測平台系統………………..……………………………………31
圖3-12 Semi-auto Mixer……………………………………………………………………32
圖3-13 Three-roll Mil………………………………………………………………………33
圖3-14 真空烘箱……………………………………...……………………………………33
圖3-15 六方氮化硼…………………………………...……………………………………34
圖3-16 氮化鋁粉……………………………………...……………………………………34
圖3-17 Silicone Dielectric Gel………………………..……………………………………35
圖3-18 Silicone oil…………………………………….……………………………………35
圖3-19 PEG-200……………………………………………………………………………36
圖3-20 NOVA ST140溫度表頭……………………………………………………………37
圖4-1 Sample1 實體圖……………………………….……………………………………46
圖4-2 Sample2 實體圖……………………………….……………………………………46
圖4-3 Sample 1準確性實驗第一組結果…………….……………………………………47
圖4-4 Sample 1準確性實驗第二組結果…………….……………………………………48
圖4-5 Sample 1準確性實驗第三組結果…………….……………………………………49
圖4-6 Sample 2準確性實驗第一組結果…………….……………………………………51
圖4-7 Sample 2準確性實驗第二組結果…………….……………………………………52
圖4-8 Sample 2準確性實驗第三組結果…………….……………………………………53
圖4-9 SE-7762實體圖………………………………..……………………………………55
圖4-10 TC-5121實體圖……………………………………………………………………55
圖4-11 TC-5121準確性實驗第一組結果…………………………………………………56
圖4-12 TC-5121準確性實驗第二組結果…………………………………………………57
圖4-13 TC-5121準確性實驗第三組結果…………………………………………………58
圖4-14 SE- 7762準確性實驗第一組結果…………………………………………………60
圖4-15 SE-7762準確性實驗第二組結果…………………………………………………61
圖4-16 SE-7762準確性實驗第三組結果…………………………………………………62
圖4-17 275μm氮化硼搭配矽橡膠實驗結果(55Wt%)……………………………………65
圖4-18 275μm氮化硼搭配矽橡膠實驗結果(60Wt%)……………………………………66
圖4-19 275μm氮化硼搭配矽橡膠實驗結果(65Wt%)……………………………………67
圖4-20 275μm氮化硼搭配矽凝膠實驗結果(55Wt%)……………………………………68
圖4-21 275μm氮化硼搭配矽凝膠實驗結果(60Wt%)……………………………………69
圖4-22 275μm氮化硼搭配矽凝膠實驗結果(65Wt%)……………………………………70
圖4-23 不同比率之275μm氮化硼搭配矽橡膠及矽凝膠比較趨勢圖……………..……71
圖4-24 矽橡膠與矽凝膠填補能力示意圖…………………………………………...……72
圖4-25 275μm堆疊時所產生之空隙……………………………………………….……73
圖4-26 275μm以120~200μm氮化硼粉末填充之實驗第一組……………………..……74
圖4-27 275μm以120~200μm氮化硼粉末填充之實驗第二組……………………..……75
圖4-28 275μm以120~200μm氮化硼粉末填充之實驗第三組……………………..……76
圖4-29 275μm以50μm氮化硼粉末填充之實驗第一組…………………………….……77
圖4-30 275μm以50μm氮化硼粉末填充之實驗第二組…………………………….……78
圖4-31 275μm以50μm氮化硼粉末填充之實驗第三組…………………………….……79
圖4-32 275μm以8μm氮化硼粉末填充之實驗第一組………..………………………… 80
圖4-33 275μm以8μm氮化硼粉末填充之實驗第二組……………………………...……81
圖4-34 275μm以8μm氮化硼粉末填充之實驗第三組……………………………...……82
圖4-35 以各種不同小粒徑填補275μm氮化硼對熱傳導係數影響比較趨勢圖 …...…83
圖4-36 雙重堆疊後之實驗結果……………………………………………………...……84
圖4-37 2 μm氮化鋁粉實驗結果(70 Wt%)…………………………………………..……86
圖4-38 2 μm氮化鋁粉實驗結果(75 Wt%)…………………………………………..……87
圖4-39 2 μm氮化鋁粉實驗結果(81 Wt%)…………………………………………..……88
圖4-40 5 μm氮化鋁粉實驗結果(78Wt%)............................................................................89
圖4-41 5 μm氮化鋁粉實驗結果(81 Wt%)…………………………………………..……90
圖4-42 5 μm氮化鋁粉實驗結果(84 Wt%)…………………………………………..……91
圖4-43 <10 μm氮化鋁粉實驗結果(70 Wt%)………………………………………..……92
圖4-44 <10 μm氮化鋁粉實驗結果(75 Wt%)……………………..………………………93
圖4-45 <10 μm氮化鋁粉實驗結果(78 Wt%)………………………………………..……94
圖4-46 各種粒徑粉末填充比率對熱傳導係數影響趨勢圖……...………………………95
圖4-47 Single-mode所產生之空隙......................................................................................96
圖4-48 5 μm氮化鋁粉以2μm氮化鋁粉填充實驗結果第一組(78 Wt%)……….……….97
圖4-49 5 μm氮化鋁粉以2μm氮化鋁粉填充實驗結果第二組(78 Wt%)……….……….98
圖4-50 5 μm氮化鋁粉以2μm氮化鋁粉填充實驗結果第三組(78 Wt%)………..………99
圖4-51 5 μm氮化鋁粉以2μm氮化鋁粉填充實驗對熱傳導係數影響趨勢圖…..……100
圖4-52 Bi-mode堆疊後之最佳粉體比率……………………………………..…………101
圖4-53 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配純矽油實驗結果(81 Wt%)……………...…………102
圖4-54 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配30% PEG-200實驗結果(81 Wt%)……...…………103
圖4-55 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配50% PEG-200實驗結果(81 Wt%)…….………….104
圖4-56 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配70% PEG-200實驗結果(81 Wt%)…….………….105
圖4-57 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配100% PEG-200實驗結果(81 Wt%)…..……..……106
圖4-58 不同比率PEG-200含量對熱傳導係數影響趨勢圖….…………………………107
圖4-59 熱傳有效途徑示意圖……………………………….…………………………....108
圖4-60 散熱模組…………………………………………….……………………………109
圖4-61 加熱器底座………………………………………….……………………………110
圖4-62 P65(BN)275R性能測試結果…………………………………………..…...……111
圖4-63 P65(BN)275-08G73性能測試結果……………….…………………….………..112
圖4-64 P65(BN)275-08G64性能測試結果……………….……………………………...113
圖4-65 P65(BN)275-08G55性能測試結果……………...……………………………….114
圖4-66 TC-5121性能測試結果…………………………………………………………..115
圖4-67 G81ALN0502S73性能測試結果……………….………………………………..116
圖4-68 G81ALN0502PS7337性能測試結果………….…………………………………117
圖4-69 G81ALN0502PS7355性能測試結果………...…………………………………..118
圖4-70 G81ALN0502PS7373性能測試結果…………………………………………….119
圖4-71 G81ALN0502P73性能測試結果…………………………..…………………….120
圖4-72 Cooler熱阻值與TIM填充材質熱傳導係數比較………………………………121



















表目錄
表1-1 各產品熱傳導係數對應熱阻值………………………………………...……………4
表1-2 各式材料與量測方式…………………………………………………...……………6
表1-3 各量測方式說明………………………………………………………...……………7
表2-1 導熱膠片之實驗材料說明……………………………………………..…………….8
表2-2 導熱膏之實驗材料說明………………………………………………...……………8
表2-3 各層所容納最小體積…………………………………………………..…………….9
表3-1 測試治具尺寸資料…………………………………………………….……………20
表3-2 風扇鰭片之規格……………………………………………………….……………27
表3-3 Spacer尺寸基本資料………………………………………………….……………28
表3-4 氮化硼粉末…………………………………………………………….……………34
表3-5 氮化鋁粉末…………………………………………………………….……………34
表3- 6 導熱片所使用之高分子材料……………………………………………………..…34
表3- 7 導熱膏所使用之高分子材料………………………………………………………..35
表4-1 Sample 1準確性實驗第一組結果…………………………………………………47
表4-2 Sample 1準確性實驗第二組結果…………………………………………………48
表4-3 Sample 1準確性實驗第三組結果…………………………………………………49
表4-4 Sample 1準確性誤差………………………………………………………………50
表4-5 Sample 1重複性(Repeatability)誤差………………………….……………………50
表4-6 Sample 2準確性實驗第一組結果…………………………………………………51
表4-7 Sample 2準確性實驗第二組結果…………………………………………………52
表4-8 Sample 2準確性實驗第三組結果…………………………………………………53
表4-9 Sample 2準確性誤差………………………………………………………………54
表4-10 Sample 2重複性(Repeatability)誤差………………………………...……………55
表4-11 TC-5121準確性實驗第一組結果…………………………………………………56
表4-12 TC-5121準確性實驗第二組結果…………………………………………………57
表4-13 TC-5121準確性實驗第三組結果…………………………………………………58
表4-14 Dow Coning TC-5121準確性誤差…………………………………..……………59
表4-15 Dow Coning TC-5121重複性(Repeatability)誤差…………………..……………59
表4-16 SE-7762準確性實驗第一組結果…………………………………………………60
表4-17 SE-7762準確性實驗第二組結果…………………………………………………61
表4-18 SE-7762準確性實驗第三組結果…………………………………………………62
表4-19 SE-7762標準性誤差………………………………………………………………63
表4-20 SE-7762重複性(Repeatability)誤差………………………………………………63
表4-21 275μm氮化硼搭配矽橡膠實驗結果(55Wt%)……………………………………65
表4-22 275μm氮化硼搭配矽橡膠實驗結果(60Wt%)……………………………………66 表4-23 275μm氮化硼搭配矽橡膠實驗結果(65Wt%)……………………………………67
表4-24 275μm氮化硼搭配矽凝膠實驗結果(55Wt%)……………………………………68
表4-25 275μm氮化硼搭配矽凝膠實驗結果(60Wt%)……………………………………69
表4-26 275μm氮化硼搭配矽凝膠實驗結果(65Wt%)……………………………………70
表4-27 275μm以120~200μm氮化硼粉末填充之實驗第一組……………..……………74
表4-28 275μm以120~200μm氮化硼粉末填充之實驗第二組……………..……………75
表4-29 275μm以120~200μm氮化硼粉末填充之實驗第三組……………..……………76
表4-30 275μm以50μm氮化硼粉末填充之實驗第一組…………………….……………77
表4-31 275μm以50μm氮化硼粉末填充之實驗第二組…………………….……………78
表4-32 275μm以50μm氮化硼粉末填充之實驗第三組…………………….……………79
表4-33 275μm以8μm氮化硼粉末填充之實驗第一組……………………...……………80
表4-34 275μm以8μm氮化硼粉末填充之實驗第二組……………………...……………81
表4-35 275μm以8μm氮化硼粉末填充之實驗第三組……………………...……………82
表4-36 2 μm氮化鋁粉實驗結果(70 Wt%)…………………………………..……………86
表4-37 2 μm氮化鋁粉實驗結果(75 Wt%)…………………………………..……………87
表4-38 2 μm氮化鋁粉實驗結果(81 Wt%)…………………………………..……………88
表4-39 5 μm氮化鋁粉實驗結果(78 Wt%)…………………………………..……………89
表4-40 5 μm氮化鋁粉實驗結果(81 Wt%)………………………………………………..90
表4-41 5 μm氮化鋁粉實驗結果(84 Wt%)…………………………………..……………91
表4-42 <10 μm氮化鋁粉實驗結果(70 Wt%)………………………………..……………92
表4-43 <10 μm氮化鋁粉實驗結果(75 Wt%)………………………………..……………93
表4-44 <10 μm氮化鋁粉實驗結果(78 Wt%)……………………………………………..94
表4-45 5 μm氮化鋁粉以2μm氮化鋁粉填充實驗結果第一組(78 Wt%)…..……………97
表4-46 5 μm氮化鋁粉以2μm氮化鋁粉填充實驗結果第二組(78 Wt%)….…………….98
表4-47 5 μm氮化鋁粉以2μm氮化鋁粉填充實驗結果第三組(78 Wt%)….…………….99
表4-48 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配純矽油實驗結果(81 Wt%)…………………...……102
表4-49 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配30% PEG-200實驗結果(81 Wt%)………………..103
表4-50 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配50% PEG-200實驗結果(81 Wt%)……..…………104
表4-51 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配70% PEG-200實驗結果(81 Wt%)…….………….105
表4-52 5 μm與2 μm氮化鋁粉搭配100% PEG-200實驗結果(81 Wt%)…..…………..106
表4-53 散熱模組資料………………………………………………………….…………107
表4-54 加熱器資料…………………………………………………………….…………108
表4-55 P65(BN)275R性能測試結果…………………………………………………….111
表4-56 P65(BN)275-08G73性能測試結果………………………………………………112
表4-57 P65(BN)275-08G73性能測試結果……………………………………..………..113
表4-58 P65(BN)275-08G55性能測試結果………………………………………………114
表4-59 TC-5121性能測試結果…………………………………………………………..115
表4-60 G81ALN0502S73性能測試結果…………………………………………...……116
表4-61 G81ALN0502PS7337性能測試結果……………………………………….……117
表4-62 G81ALN0502PS7355性能測試結果…………………………………………….118
表4-63 G81ALN0502PS7373性能測試結果……………………………………….……119
表4-64 G81ALN0502P73性能測試結果…………………………………………….......120
表4-65 各熱介面材料應用於Cooler後之熱阻值與熱傳導係數比較………………….122

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