隨著 CPU、GPU、AI 加速器及高效能運算設備的功耗持續提高，電子元件產生的熱量也越來越集中。如何快速將晶片產生的熱量傳遞到散熱器，已經成為電子產品、AI伺服器、資料中心及各類高功率設備的重要課題。

在整個散熱系統中，除了散熱片、熱管、均熱板與液冷冷板之外，還有一種看似薄薄一層、實際上卻對散熱效率具有重要影響的材料，就是導熱材料TIM。

導熱材料TIM（Thermal Interface Material，熱介面材料），主要用於填補發熱元件與散熱器之間的微小空隙，排除兩個固體表面之間的空氣，降低熱傳遞過程中的接觸熱阻，讓熱量可以更有效率地從發熱元件傳遞至散熱器。

從消費電子產品到高階AI伺服器，導熱材料TIM都是熱管理系統中不可忽視的一環。

導熱材料TIM主要功能

填補發熱元件與散熱器之間的空隙

表面看起來平整的 CPU、GPU 或散熱器底部，在微觀尺度下其實存在大量凹凸不平的結構。

因此，即使晶片與散熱器直接接觸，兩個表面之間仍然會存在許多微小空隙。

而空氣的導熱能力非常低，如果這些空隙充滿空氣，就會阻礙熱量傳遞。

導熱材料TIM的第一個主要功能，就是利用材料填補這些微小空隙。

可以簡單理解成：

晶片 → TIM填補空隙 → 散熱器

藉由TIM取代原本存在於接觸面之間的空氣，可以建立更加有效率的熱傳導路徑。

降低熱阻

導熱材料TIM另一項重要功能，就是降低晶片與散熱器之間的熱阻。

電子元件的散熱效率並不是單純由散熱器大小決定，而是受到整個熱傳導路徑影響。

例如：

晶片 → TIM → 散熱器 → 熱管／均熱板／冷板 → 空氣或冷卻液

其中任何一個環節的熱阻過高，都可能影響整體散熱效率。

因此，導熱材料TIM通常需要在導熱係數、厚度、接觸性能、可靠性及加工特性之間取得平衡。

值得注意的是，TIM的導熱係數越高並不代表實際散熱效果一定越好。

實際熱阻還與TIM厚度、接觸面積、界面壓力、材料流動性以及表面平整度等因素有關。

因此，在實際產品設計中，不能只看材料標示的「W/m·K」數值，而需要評估完整的熱介面結構。

為什麼導熱材料TIM如此重要？

在低功耗電子產品中，TIM可能只是一個相對容易被忽略的材料。

但當晶片功率持續增加時，TIM的重要性就會明顯提高。

例如高效能GPU或AI加速器可能在非常小的晶片面積內產生大量熱量。

如果晶片與散熱器之間的熱傳導效率不足，即使後端使用大型散熱器或液冷系統，也可能無法充分發揮散熱能力。

因此，導熱材料TIM是連接「熱源」與「散熱器」的重要熱傳導介面。

尤其在AI伺服器與液冷散熱架構中，冷板本身雖然可以帶走大量熱量，但晶片與冷板之間通常仍然需要使用TIM。

換句話說：

液冷散熱負責把熱量帶走，而導熱材料TIM負責讓熱量更有效率地進入冷板。

導熱材料TIM常見分類

目前市場上的導熱材料TIM種類相當多，可以依照材料型態、導熱機制與應用方式分成不同類型。

常見產品包括：

• 導熱矽脂／散熱膏
• 導熱墊片
• 相變化材料
• 液態金屬
• 導熱膠
• 導熱凝膠

其中，導熱矽脂、導熱墊片、相變化材料與液態金屬，是電子散熱應用中相當常見的幾種TIM。

導熱矽脂（散熱膏）

導熱矽脂又稱散熱膏（Thermal Grease／Thermal Paste），是最常見的導熱材料TIM之一。

它通常呈現膏狀，可以塗覆在CPU、GPU或其他發熱元件與散熱器之間。

由於導熱矽脂具有一定流動性，因此可以填補接觸面的微小凹凸。

導熱矽脂的優點

• 可以填補微小空隙
• 接觸熱阻低
• 適合不規則表面
• 材料厚度可以控制
• 適用於CPU、GPU等多種電子元件

不過，導熱矽脂也需要考慮長期可靠性。

例如在長時間高溫運作下，部分材料可能發生乾化、泵出（Pump-out）或材料遷移等問題，因此產品設計需要根據工作溫度、壓力及使用壽命選擇適合的配方。

導熱墊片

導熱墊片（Thermal Pad）是另一種常見的導熱材料TIM。

與膏狀TIM不同，導熱墊片通常具有固定厚度，可以直接裁切成適當尺寸後安裝在發熱元件與散熱器之間。

導熱墊片最大的優勢之一，就是安裝相對簡單。

尤其當元件與散熱器之間存在較大的高度差或間隙時，導熱墊片可以提供較好的厚度補償能力。

導熱墊片常見應用

• 記憶體
• VRM
• 電源元件
• SSD
• GPU周邊元件
• 網通設備
• AI伺服器其他發熱元件

與導熱矽脂相比，導熱墊片通常更加容易操作，也不容易產生液體型材料的溢出問題。

但其導熱效果受到材料本身導熱係數與厚度影響。

一般而言，在相同材料條件下，TIM越厚，熱阻通常越高，因此導熱墊片並不是越厚越好，而是需要在「填補間隙」與「降低熱阻」之間取得平衡。

相變化材料

相變化材料（Phase Change Material，PCM）也是導熱材料TIM的重要類型。

這類材料在特定溫度範圍內會發生相態或軟化變化，使材料能夠更加充分地填補晶片與散熱器之間的微小空隙。

相變化TIM在常溫下通常比較容易處理，而設備運轉升溫後，材料會產生相變或軟化，使其更加貼合接觸界面。

因此，相變化材料可以結合固態材料容易加工與液態材料容易填縫的部分優勢。

其應用範圍包括：

• CPU
• GPU
• 功率半導體
• 電源模組
• 通訊設備
• 高效能電子設備

液態金屬

液態金屬是一種高導熱性的TIM材料。

與一般導熱矽脂不同，液態金屬主要利用金屬材料的高熱傳導能力，在晶片與散熱器之間建立低熱阻的熱傳導路徑。

液態金屬的最大特色就是高導熱性能，因此在高效能CPU、GPU以及超頻設備等應用中受到關注。

但是液態金屬並不是沒有缺點。

其導電性、材料相容性、腐蝕問題、施工難度以及長期可靠性，都需要在產品設計階段仔細考慮。

因此，液態金屬雖然具有很高的導熱能力，但並非所有電子產品都適合使用。

導熱材料TIM如何選擇？

不同產品對TIM的要求並不相同。

如果主要考慮施工便利性，可以選擇導熱墊片。

如果需要良好的表面填縫能力，導熱矽脂通常比較合適。

如果希望兼顧加工與高效熱傳導，相變化材料可以成為其中一種選項。

而對極高熱流密度、需要降低界面熱阻的應用，液態金屬則可能具有優勢。

實際選擇導熱材料TIM時，可以從以下幾個方向評估：

了解TIM1與TIM2的應用差異與位置

在電子封裝與高效能晶片散熱中，除了按照材料種類分類之外，也經常看到 TIM1 與 TIM2 的說法。

這裡的「TIM1／TIM2」主要不是指兩種特定材料，而是指位於不同熱傳導界面位置的TIM。

理解兩者位置，是理解高階CPU、GPU及AI晶片封裝散熱的重要概念。

TIM1是什麼？

TIM1通常位於晶片（Die）與封裝上蓋（IHS／Integrated Heat Spreader）之間。

簡化結構可以表示為：

Die → TIM1 → IHS → TIM2 → 散熱器

晶片運作時產生的熱量，首先從Die傳遞到TIM1，再進入IHS。

因此，TIM1可以視為晶片封裝內部的重要熱傳導介面。

在高功率晶片中，TIM1的熱阻會直接影響晶片熱量能否有效傳遞到封裝上蓋。

尤其當晶片功率密度非常高時，TIM1的材料特性、厚度與界面品質都會影響整體熱管理性能。

TIM2是什麼？

TIM2則通常位於IHS與外部散熱器之間。

例如：

CPU Die → TIM1 → IHS → TIM2 → 散熱器

當熱量從晶片內部傳到IHS後，還需要繼續傳遞至散熱器。

這時候TIM2就是連接IHS與散熱器的熱介面材料。

在傳統桌上型電腦中，我們常說的「CPU散熱膏」，很多時候就是指CPU IHS與散熱器底部之間使用的TIM。

在AI伺服器中，TIM2的位置也可能位於GPU／AI加速器封裝的IHS與液冷冷板之間。

因此，即使使用液冷散熱，仍然需要考慮TIM2的性能。

TIM1與TIM2的差異

可以用一個簡單結構理解：

晶片Die
↓
TIM1
↓
IHS／封裝上蓋
↓
TIM2
↓
散熱器／液冷冷板

兩者最大的差異，就是所在位置不同。

TIM1

位於晶片封裝內部，主要負責：

Die → IHS

TIM1通常受到晶片封裝設計、封裝製程與高熱流密度等因素影響。

TIM2

位於封裝與外部散熱系統之間，主要負責：

IHS → 散熱器

TIM2通常更加直接與外部散熱器、均熱板或液冷冷板接觸。

因此，TIM1與TIM2雖然都屬於導熱材料TIM，但面對的機械結構、厚度、材料需求與製程條件並不完全相同。

AI伺服器中的導熱材料TIM

AI伺服器是目前導熱材料TIM受到高度重視的應用之一。

隨著GPU、AI加速器及CPU功耗增加，單一晶片需要處理的熱流密度越來越高。

這也使傳統氣冷散熱逐漸面臨挑戰。

當伺服器採用液冷散熱時，典型結構可能變成：

GPU／CPU → TIM → Liquid Cold Plate → 冷卻液 → CDU → 熱交換器

此時，TIM的作用就是將晶片產生的熱量有效傳遞到液冷冷板。

如果TIM的熱阻過高，冷板再強大也可能受到限制。

因此，AI伺服器的熱管理並不是「液冷取代TIM」，而是：

液冷散熱＋高性能導熱材料TIM＋冷板＋CDU

共同構成完整的散熱系統。

導熱材料TIM與液冷散熱的關係

近年AI伺服器大量導入液冷散熱，也讓導熱材料TIM的重要性進一步提高。

液冷冷板雖然能直接帶走晶片熱量，但冷板通常不能直接與晶片形成完美接觸。

晶片與冷板之間仍然可能存在微小間隙，因此需要TIM協助填補。

這也代表：

液冷系統解決的是「如何把熱量帶走」；導熱材料TIM解決的是「如何把熱量有效傳到冷卻介面」。

兩者是互相配合的關係。

因此，在高功率AI伺服器中，除了關注冷板、CDU、水泵與冷卻液之外，也需要關注TIM的材料性能與可靠性。

導熱材料TIM未來發展趨勢

隨著AI、HPC、5G通訊、電動車及功率半導體持續發展，電子元件的功率密度仍有提高趨勢。

這也意味著導熱材料TIM需要面對更高的熱流密度、更嚴格的可靠性要求以及更複雜的製造流程。

未來導熱材料TIM的發展方向，可能集中在幾個方面：

更低的熱阻

高功率晶片需要更短、更有效率的熱傳導路徑，因此降低TIM本身及界面的熱阻仍然是重要方向。

更高的導熱性能

材料需要在保持加工性能與可靠性的同時，提高熱傳導能力。

更薄的TIM厚度

在能夠可靠填補表面空隙的前提下，降低TIM厚度可以減少熱傳導路徑中的材料熱阻。

更高的可靠性

AI伺服器可能需要長時間高負載運作，因此TIM需要具備良好的高溫穩定性與長期可靠性。

配合液冷與高密度封裝

未來晶片封裝越來越複雜，Chiplet、3D封裝及高頻寬記憶體等技術也將帶來新的熱管理需求。

因此，導熱材料TIM不只是單純的「散熱膏」，而是高效能電子產品熱管理架構中的重要材料。

導熱材料TIM是高效能散熱系統的重要一環

導熱材料TIM（Thermal Interface Material）的主要功能，是填補發熱元件與散熱器之間的微小空隙，排除空氣並降低界面熱阻，讓熱量能夠更加有效率地傳遞出去。

目前常見的導熱材料TIM包括導熱矽脂、導熱墊片、相變化材料與液態金屬等，不同材料各有適用的產品與工作環境。

而在高效能CPU、GPU與AI伺服器中，TIM還可以進一步依照位置分為TIM1與TIM2：TIM1主要位於Die與IHS之間，TIM2則通常位於IHS與外部散熱器或液冷冷板之間。

因此，當我們談論AI伺服器散熱時，不能只看GPU功耗、冷板或液冷系統。從晶片Die到最終散熱設備之間，每一個熱傳導界面都可能影響整體散熱效率。

導熱材料TIM雖然只是一層很薄的材料，卻是連接晶片與散熱系統的重要熱傳導橋樑。**隨著AI、高效能運算與高密度電子設備持續發展，導熱材料TIM的重要性也將進一步提升。