由云南中宣液態(tài)金屬科技有限公司、云南科威液態(tài)金屬谷研發(fā)有限公司、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所、云南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院、云南省科學(xué)技術(shù)院、昆明理工大學(xué)、聯(lián)想（北京）有限公司、北京夢(mèng)之墨科技有限公司、云南前沿液態(tài)金屬研究院有限公司等單位聯(lián)合制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43611-2023《鎵基液態(tài)金屬熱界面材料》（圖1）已于2023年12月28日發(fā)布，2024年7月1日起實(shí)施。

圖1 《鎵基液態(tài)金屬熱界面材料》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

一、標(biāo)準(zhǔn)制定背景
    近年來(lái)全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的算力需求，高性能芯片（CPU/GPU）的設(shè)計(jì)功耗和功率密度持續(xù)增加（單片功率最高已達(dá)600 W~1000 W），工作中將產(chǎn)生大量熱量。如不能及時(shí)地將局部熱源產(chǎn)生的熱量傳遞到外部，將使得芯片溫度過(guò)高從而性能、可靠性和壽命大大降低。硬件的散熱能力瓶頸實(shí)際上制約了芯片性能的發(fā)揮。

圖2 熱界面材料的工作原理示意

    通用性散熱技術(shù)是將芯片熱量傳遞至具有強(qiáng)散熱能力的熱沉（heat sink）上，需要采用柔性高導(dǎo)熱材料填充芯片和熱沉的固-固接觸界面間的間隙，有效增大界面導(dǎo)熱能力。這種材料即被稱(chēng)為熱界面材料（Thermal interface material, TIM）。

圖3 主流熱界面材料的熱導(dǎo)率

    傳統(tǒng)的熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)范圍如圖3所示。導(dǎo)熱脂及其復(fù)合材料最為常用，具有較好的導(dǎo)熱性、較薄的接合層厚度、較低的粘附壓力，但容易出現(xiàn)泵出、干涸和相分離等現(xiàn)象。金屬焊料具有最高的導(dǎo)熱性，一般作為焊膏或預(yù)制箔使用，但在回流焊過(guò)程中存在氣泡、分層、高應(yīng)力和重復(fù)使用性差等問(wèn)題。除焊料外，大多數(shù)熱界面材料由無(wú)機(jī)固體填料和聚合物組成。前者一般是高導(dǎo)熱顆粒，如金屬顆粒（銀和銅等）、陶瓷顆粒（氮化鋁和氮化硼等）和碳基材料（碳納米管和石墨烯等），其作用是提高導(dǎo)熱性和控制熱界面材料的流變特性；后者一般是導(dǎo)熱性較差的物質(zhì)，如硅油、硅脂、硅膠等。傳統(tǒng)熱界面材料面臨的普遍問(wèn)題是聚合物成分的熱導(dǎo)率太低，商用熱界面材料的熱導(dǎo)率最多只有5 W/(m·K)~8 W/(m·K)左右，逐漸不能滿(mǎn)足電子產(chǎn)品特別是高功率密度器件的散熱需要。
    鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的導(dǎo)熱性能達(dá)常規(guī)熱界面材料的3~10倍，幾乎是滿(mǎn)足當(dāng)前高性能電子產(chǎn)品散熱需求的唯一解決方案，2020年以來(lái)已應(yīng)用到個(gè)人和工業(yè)計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、國(guó)防和航空電子、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。
二、標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程
    2021年8月，國(guó)標(biāo)委發(fā)﹝2021﹞23號(hào)文件正式批復(fù)本項(xiàng)目，計(jì)劃編號(hào)為20213150-T-610。2021年10月，全國(guó)有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)召開(kāi)會(huì)議進(jìn)行任務(wù)落實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)起草期間召開(kāi)兩次工作會(huì)議，編制組對(duì)技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行充分討論并廣泛征求專(zhuān)家意見(jiàn)。2023年5月召開(kāi)審定會(huì)并形成會(huì)議紀(jì)要，編制組按照專(zhuān)家意見(jiàn)修改后形成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿，通過(guò)全體委員審查后上報(bào)審批。
    GB/T 43611-2023《鎵基液態(tài)金屬熱界面材料》由中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)提出，全國(guó)有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 243)歸口，2023年12月28日發(fā)布，2024年7月1日起實(shí)施。

三、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容及確定依據(jù)
3.1術(shù)語(yǔ)和定義
    熱阻（thermal resistance）、熱阻抗（thermal impedance）、面積熱阻（thermal resistance per unit area）、界面熱阻（interface thermal resistance）、接觸熱阻（contact thermal resistance）等術(shù)語(yǔ)在在使用中經(jīng)常存在混用、誤用：
    熱阻（thermal resistance）：R，物體兩端溫度差與流經(jīng)物體熱流量之比，單位為開(kāi)爾文每瓦特（K/W）或攝氏度每瓦特（℃/W）；其倒數(shù)稱(chēng)為熱導(dǎo)（thermal conductance）。
    接觸熱阻（contact thermal resistance）：Rc，兩個(gè)固體界面之間不完全接觸造成的熱阻，單位為m2?K/W。
    界面熱阻（interfacial thermal resistance）：Rth，又稱(chēng)邊界熱阻（thermal boundary resistance）或卡皮查熱阻（Kapitza resistance），是由于處于接觸的兩種物質(zhì)的電子特性以及振動(dòng)特性不相同，載熱子穿過(guò)接觸界面時(shí)發(fā)生散射而產(chǎn)生的熱阻，單位為m2?K/W。
    熱阻抗（thermal impedance）：RA，在單位面積的兩個(gè)表面之間通過(guò)單位熱流量產(chǎn)生的溫度差，單位為m2·K/W，即（A為觸面積，ΔT為界面溫差，Q為熱流量）。其倒數(shù)為界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（interfacial heat transfer coefficient）。
    熱阻抗RA是材料自身熱阻R、填充固體表面微空隙不完全而導(dǎo)致的接觸熱阻Rc、固體界面與熱界面材料之間的界面熱阻Rth的總和，即可以認(rèn)為上述參數(shù)之間存在如下關(guān)系：

    式中，BLT是接合層厚度，λ是材料導(dǎo)熱系數(shù)。
    本文件綜合考慮國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界使用習(xí)慣，選擇熱阻抗作為表征熱界面材料核心性能的參數(shù)，并明確了定義。
3.2 分類(lèi)和等級(jí)
    鎵基液態(tài)金屬熱界面材料主要有兩大類(lèi)型：

    標(biāo)準(zhǔn)采用導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻抗共同作為產(chǎn)品分級(jí)指標(biāo)。降低固體接觸熱阻是熱界面材料的核心功能，這一能力可以使用熱阻抗來(lái)進(jìn)行表征。熱阻抗與熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)、填充能力（接觸潤(rùn)濕性）有關(guān)。I型鎵基液態(tài)金屬熱界面材料通常導(dǎo)熱系數(shù)較高，但受限于填充性能并不能完全發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)，特別是含有其它固體導(dǎo)熱添加劑的I型產(chǎn)品的超高導(dǎo)熱系數(shù)并不能有效降低熱阻抗（甚至可能增大熱阻抗）。理想情況下的仿真結(jié)果（圖4）表明，當(dāng)熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)從5 W/(m?K)增加到20 W/(m?K)時(shí)，芯片的最高溫度從136.8℃下降到68.6℃，降幅達(dá)68.2℃；而當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)從20 W/(m?K)增加到50 W/(m?K)時(shí)，芯片的最高溫度從68.6℃下降到54.8℃，降幅為13.8℃。即熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)超過(guò)20 W/(m?K)后，繼續(xù)提升導(dǎo)熱系數(shù)帶來(lái)的實(shí)際散熱效益已不顯著。

圖4 不同熱導(dǎo)率的熱界面材料的熱效應(yīng)

    經(jīng)過(guò)調(diào)研，對(duì)兩項(xiàng)分級(jí)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)、比較（表2）。市場(chǎng)上大部分產(chǎn)品并未明確導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)方法，部分產(chǎn)品的參數(shù)標(biāo)稱(chēng)值與編制組實(shí)測(cè)值相去甚遠(yuǎn)。

    綜合我國(guó)鎵基液態(tài)金屬熱界面材料產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀和導(dǎo)熱系數(shù)效益極限，規(guī)定了鎵基液態(tài)金屬熱界面材料產(chǎn)品的等級(jí)要求（表3），其中，熱阻抗是在不超過(guò)300 kPa壓力下的測(cè)量值。

3.3限用物質(zhì)
    對(duì)GB/T 26572-2011《電子電氣產(chǎn)品中限用物質(zhì)的限量要求》限制的有害物質(zhì)Cd、Hg、Pb最大含量限定為0.01%，而其他有害物質(zhì)由于幾乎不會(huì)引入到鎵基液態(tài)金屬熱界面材料產(chǎn)品中（如六價(jià)鉻會(huì)被金屬鎵還原到低價(jià)態(tài)），不做要求。限用物質(zhì)的測(cè)定方法采用GB/T 43604.1-2023《鎵基液態(tài)金屬化學(xué)分析方法 第1部分：鉛、鎘、汞、砷含量的測(cè)定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》。
3.4 揮發(fā)分含量
    干涸（dry out）是熱界面材料在服役中失效的典型表現(xiàn)。本文件選擇使用熱重法測(cè)定在產(chǎn)品最極端的工作溫度150℃下2小時(shí)的減重比率作為表征揮發(fā)分含量的指標(biāo)。試驗(yàn)步驟按照GB/T 31229—2014描述的方法A，通過(guò)恒定溫度下的樣品初始質(zhì)量與最終質(zhì)量之差除以初始質(zhì)量來(lái)獲得。根據(jù)下游用戶(hù)要求并結(jié)合國(guó)內(nèi)廠商產(chǎn)品水平，本文件規(guī)定揮發(fā)分含量按該方法測(cè)定不超過(guò)0.5%。
3.5 物理性能及試驗(yàn)方法

3.5.1 熱阻抗
    核心指標(biāo)熱阻抗和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定目前尚無(wú)專(zhuān)用的標(biāo)準(zhǔn)方法。當(dāng)前，業(yè)界通常參照ASTM D5470《熱導(dǎo)性電絕緣材料熱傳輸特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》來(lái)進(jìn)行熱阻抗和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，但鎵基液態(tài)金屬熱界面材料大多并非電絕緣材料，并不在該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍內(nèi)；而且該方法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)操作繁瑣，精密度不足；對(duì)膏狀和液態(tài)易流動(dòng)變形樣品的熱阻抗測(cè)定條件與實(shí)際工況條件一致性不足。除了樣品自身的性能外，熱阻抗還與測(cè)試設(shè)備的狀況、特別是測(cè)試頭端面的光潔度、平面度相關(guān)，故國(guó)內(nèi)外不同廠商根據(jù)ASTM D5470制造的導(dǎo)熱儀水平參差不齊，實(shí)驗(yàn)室間再現(xiàn)性差，這也導(dǎo)致某些市售的產(chǎn)品熱阻抗嚴(yán)重失真。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱阻抗的測(cè)量方法，明確了對(duì)如圖5所示的熱阻抗測(cè)量裝置的測(cè)試頭端面光潔度、平面度要求，規(guī)定測(cè)量厚度的位移傳感器精度。相比于ASTM D5470，測(cè)試頭表面粗糙度要求由0.4 μm提高到0.1 μm，平面度要求由5 μm提高到3 μm。

圖5 熱阻抗測(cè)量裝置示意

3.5.2 導(dǎo)熱系數(shù)
    瞬態(tài)平面熱源法（TPS）和激光閃射法（LFA）能夠準(zhǔn)確地測(cè)定鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但偏離了現(xiàn)有方法標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍和試驗(yàn)步驟。GB/T 41079.4《液態(tài)金屬物理性能測(cè)定方法 第4部分：導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定》正在研制，為避免標(biāo)準(zhǔn)之間可能的沖突，暫定導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法由供需雙方協(xié)商確定。
3.5.3 接觸角
    產(chǎn)品對(duì)工作表面（主要是芯片的硅表面）的潤(rùn)濕性對(duì)實(shí)際導(dǎo)熱性能的發(fā)揮影響顯著，對(duì)表面潤(rùn)濕性可以用接觸角來(lái)定量表征。目前尚無(wú)液態(tài)金屬接觸角的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法，由供需雙方協(xié)商確定。
3.5.4 熔融溫度
    熔融溫度的測(cè)定按照YS/T 1258的規(guī)定進(jìn)行。其中，II型產(chǎn)品的熔融溫度是指其中鎵基液態(tài)金屬組分的熔融溫度。根據(jù)鎵基液態(tài)金屬的定義和GB/T 39859的要求，本文件規(guī)定熔融溫度不超過(guò)30℃。
3.5.5 密度、粘度
    密度、粘度是產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。應(yīng)用需求的多樣化也決定了這些特性的多樣化，因此本文件確定這些性能的檢驗(yàn)方法，但不規(guī)定各參數(shù)的范圍，由供方在產(chǎn)品質(zhì)量證明書(shū)中提供性能數(shù)據(jù)。
    I型產(chǎn)品的密度可按照GB/T 41079.1或GB/T 39859-2021的規(guī)定進(jìn)行測(cè)定；其中GB/T 39859-2021能夠適用于樣品量較少或由于顆粒填充而粘度較高時(shí)的測(cè)定，故定為仲裁方法。II型產(chǎn)品的密度按照GB/T 8928描述的方法使用密度瓶測(cè)定。
    鎵基液態(tài)金屬具有典型剪切變稀（shear thinning）的非牛頓流體特征，因此只有在給出剪切速率時(shí)其粘度才有意義。一般而言，剪切速率為10s^-1～100s^-1時(shí)的表觀粘度比較適宜作為產(chǎn)品評(píng)價(jià)的指標(biāo)，能反應(yīng)熱界面材料的擠出（10s^-1～100s^-1）、涂刷（10s^-1～100s^-1）過(guò)程。

四、 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施意義
    本標(biāo)準(zhǔn)是首次制定，為生產(chǎn)商、用戶(hù)、供應(yīng)商三方提供最基本的技術(shù)依據(jù)，對(duì)規(guī)范鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的生產(chǎn)、檢驗(yàn)和應(yīng)用推廣，約束行業(yè)內(nèi)虛標(biāo)亂標(biāo)產(chǎn)品參數(shù)具有重要意義，有利于液態(tài)金屬新材料產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，也有助于在通訊設(shè)備、個(gè)人和工業(yè)計(jì)算機(jī)、國(guó)防和航空電子、移動(dòng)手持電子、智能電網(wǎng)、軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域引入全新的熱管理方案。