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近十年來，液態金屬（Liquid Metal, LM）從航太燃料管的熱交換層一路殺進筆電與手機散熱模組，「導熱率爆表」幾乎成了它的代名詞。市場研究機構Yole 2025年報告指出，全球LM散熱材料年複合成長率（CAGR）高達32%，已超越石墨片與高階導熱膏的增速。為何一種室溫流動的金屬能顛覆傳統散熱方案？答案藏在金屬鍵合電子雲高效傳遞熱振動的微觀機制，以及Ga–In–Sn合金在常溫下即可保持25–40 W/m·K的導熱率。本文將以導熱理論為主軸，結合實測數據與封裝案例，拆解液態金屬爆紅背後的科學真相與工程門檻。
液態金屬的導熱機制與典型配方
市售散熱級液態金屬多以鎵（Ga）為基底，再摻入銦（In）、錫（Sn）或鋅（Zn）降低凝固點（約 −19 °C），形成所謂Galinstan。
- 電子導熱：液態金屬雖無晶格秩序，但金屬鍵提供自由電子海，同樣能高效攜帶熱振動。
- 對流助推：在厚度 > 30 µm的縫隙中，液態金屬會產生微尺度對流，進一步提高等效導熱率。
阻力在於高表面張力（≈ 0.7 N/m）與氧化皮，易形成「球珠效應」；添加0.1–0.5 wt%銅粉或使用等離子體活化可降低接觸角至< 5°，強化界面貼合。
導熱率排行榜：液態金屬 vs. 傳統介質
（數值為 25 °C 常壓測得，依導熱率由高到低排列）
| Material | 導熱率 W/m·K | 介電性 | 典型厚度 µm | 應用備註 |
|---|---|---|---|---|
| 銅（固態參考） | 397 | 導電 | ∞ | 熱擴散板、熱管 |
| 銀基 LM 合金 (Ga–Ag–In) | 60 | 導電 | 30–100 | 高頻功率模組 |
| Galinstan (Ga–In–Sn) | 29 | 導電 | 15–50 | 筆電 CPU/GPU、LED COB |
| 鎵純金屬 | 40 | 導電 | 20–50 | 需> 29 °C 才液化 |
| 石墨烯薄膜 | 20 | 絕緣 | 5–20 | 疊層後沿面導熱佳 |
| 高階導熱膏（含陶瓷填料） | 8 | 絕緣 | 30–100 | DIY PC 市場主流 |
| 硅膠墊片 (TIM pad) | 4 | 絕緣 | 100–500 | 汽車 ECU、大功率 IGBT |
| 水冷液（水/乙二醇 50 %） | 0.6 | 絕緣 | 流體 | 依靠強制對流散熱 |
，遠低於傳統導熱膏的0.1 K·cm²/W，對高功率密度晶片尤為關鍵。
與 CPU/GPU 封裝的完美貼合：為何熱阻大幅下降？
潤濕性：經表面活化後，Galinstan能滲入銅蓋板微孔 (Ra ≈ 0.2 µm)，形成< 1 µm的介面過渡層。
- 低黏度：1.9 mPa·s使得真空填充或點膠工序均可兼容。
- 無揮發劑：較導熱膏少了乾裂與泵出現象，壽命可靠度提升2倍。
Intel 2024 Meteor Lake Mobile系列首度在薄型散熱模組採用Ga–In LM，實測CPU峰值溫度下降8–10 °C，並縮短渦輪維持時間，比同級陶瓷填料膏高出15%性能餘裕。
電導性、腐蝕與密封的挑戰
- 電氣短路風險：Ga–In LM導電性高，任何滲漏至PCB或封裝凸塊區都可能造成短路。解法是使用PI或Parylene邊緣防溢塗層，保證500 h高溫循環無流失。
- 鋁腐蝕：鎵對鋁具強烈偏析性，可在60 °C內腐蝕pitting。散熱器若採AL6063必須施作Ni–P電鍍或陽極硬化層。
- 氧化皮：Ga₂O₃ 膜厚約 1–3 nm，會抑制潤濕；透過 0.05 wt% 酸化銅粉或少量氟化表面活化劑可連續破膜。
固態包覆與 3D IC 散熱的趨勢
- 固態微膠囊 LM：將Ga–In包覆於SiO₂或聚脲殼中，常溫呈柔性墊片，壓縮時破殼流動→固化封存，兼顧安全與裝配良率。
- 3D IC直觸內部層：研究團隊在TSV陣列間填充鎵，利用其自展布流動性打造「自灌封」散熱通道，可將堆疊式HBM熱阻降至0.015 K·cm²/W。
- 熱–電雙功能：Ga–In 合金摻鉍 (Bi) 或錸 (Re) 可提升電導率且形成可重塑焊料，兼具導熱與可重工維修特性。
液態金屬之所以能在散熱領域迅速竄紅，核心優勢就在於極高電子導熱係數與優異潤濕貼合，使其在數十微米介面間隙中創造前所未有的低熱阻。不過，導電、腐蚀與密封風險也讓LM成為「高技術門檻」材料。若你正為高功率 CPU、GaN Power IC或3D堆疊晶片尋找突破瓶頸的新型TIM，掌握 界面預處理、防漏封裝與材料相容性三大要點，就能把液態金屬的導熱優勢最大化，同時避免短路與腐蝕陷阱。液態金屬不一定適用所有場景，卻已在高熱流密度應用中展現決定性優勢；下一步，或許正是把散熱思維從「被動排熱」提升到結合相變調控與電磁整合 的多功能新紀元。
