電子設備的性能在不斷提高，但它們消耗的功率和產生的熱量也更大。如果熱量不能有效散失，設備的性能就會受到影響。當電子元件與散熱器相互接觸時，其固-固接觸界面會存在空氣間隙，實際的接觸面積大約是宏觀接觸面積的10%，大量空隙由空氣填充。空氣是熱的不良導體，常溫下空氣的導熱系數僅為0.026W/(m·K)，空氣的存在阻礙了界面之間的傳熱，導致芯片與散熱器間的界面熱阻增大，大幅降低系統散熱效率，從而降低芯片使用壽命。散熱不良會使電子產品的系統可靠性下降，產品性能故障，一個簡單的案例就是當你的筆記本散熱不良就是卡頓甚至強制關機，路由器散熱不良會頻繁掉線斷你網。
?
▲散熱器熱傳遞示意圖（來源：boydcorp.com）。上圖①沒有使用TIM，來自黑色表面的熱量只能在紅色高亮點傳導至灰色散熱器。橙色箭頭有助于視覺化來自整個黑色表面的熱量，但實際只有相當少的幾個紅色接觸點，氣袋以淺藍色表示。熱量當然也可以通過淺藍色氣袋傳導，但相比通過紅色接觸點的傳導水平，非常低效且量很小；上圖②中深藍色代表熱界面材料。大部分淺藍色氣袋已經被消除，由更具傳導性的柔軟的熱界面材料代替。TIM可以填充兩個表面之間的空隙，從而增加有效接觸面積，配合熱界面材料自身的高導熱率，可以很好的解決材料接觸界面的熱傳導不順暢的問題。多數情況下，100%消除空氣幾乎不可能，因此，小凹陷和小孔中仍然會有小氣袋。但是，此時的熱性能相比未使用TIM的情況已有極大改善；這也適用于任何電設備。電設備通常密封在箱體內，不通過熱界面材料將熱量傳導至金屬散熱器。
為保證發熱元件的正常工作，在發熱電子元件和散熱裝置之間填充能快速有效傳熱的材料，該材料稱為熱界面材料(ThermalInterfaceMaterials，TIMs)。熱界面材料的使用從本質上改變了粗糙表面固體之間的熱路徑，從通過點接觸和空氣傳導變為完全通過固體傳導。熱界面材料被認為是任何高效熱管理系統的重要組成部分，這些材料廣泛用于消費和工業電子系統，以確保高效散熱并防止局部溫度過載。對于任何熱管理解決方案來說，熱界面材料（TIM）都是不可忽視的關鍵組成部分。
?
未填充導熱填料的聚合物（樹脂材料：硅膠、環氧樹脂、聚氨酯、丙烯酸）導熱系數約為0.1W/(m·K)，簡單地用油脂代替空氣依然可以將熱阻降低五倍左右[空氣的導熱系數僅為0.026W/(m·K)]。目前幾乎所有的熱界面材料都填充有導熱的填料顆粒，導熱填料的加入提高了聚合物的導熱系數，同時保留了聚合物良好的柔韌性、低成本以及易于加工成型的優點，通過填料的添加可以將聚合物（樹脂材料）熱導率提高到7W/(m·K)范圍。常見的導熱包含金屬類填料（尤其是銀）及無機顆粒填料：氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氮化鋁、氮化硼和金剛石粉末等。
?
一、常見熱界面材料產品
根據實際應用設計及生產工藝的需求，熱界面材料會以不同的產品形態出現，不同的熱界面材料有什么樣的特點呢？
?
▼導熱介質性能指標表
1、導熱膏/導熱脂
呈液態或膏狀，具有一定流動性，在一定壓強下（100~400Pa）下可以在兩個固體表面間形成一層很薄的膜，能極大地降低異質表面間的熱阻。主要以硅酮或者烴油等高分子材料作為基體，以各類導熱材料為填料：AlN或ZnO，也可以選BN，Al2O3，SiC或銀，石墨，鋁粉及金剛石粉末。導熱膏工藝操作簡單施工方式通常是網印或直接涂抹，不需要固化，成本較低。市場份額最大，導熱率高；使用過程需要很小的扣合壓力；與基材潤濕性好，有利于空氣排出，達到提高整體導熱性目換。大多數導熱膏都是硅基的（導熱硅脂），市場上有針對對硅敏感的應用的無硅潤滑脂。對于禁止使用硅脂的敏感應用，例如光學部件和汽車照明中，可選擇使用無硅系列產品。
缺點在于：具有流動性，容易溢出污染-Pump-Out，且不易清潔，對使用者親和力差；多次循環后基體材料容易出現分離，出現溢油現象，易隨時間干涸。
?
導熱硅膠片、導熱硅膠墊、電絕緣導熱片或軟性散熱墊等，通常以硅橡膠為高分子聚合物基體，添加高導熱性填料合成的片狀熱界面材料。主要應用于填充發熱元器件和散熱片或金屬底座之間的空隙，完成兩者之間的熱傳遞，同時起減震、絕緣、密封作用。
?
▲導熱墊片單側或兩側具有天然粘性
基體以有機硅聚合物為主，高溫下介電性能比較穩定、耐氧化、絕緣性好、耐水阻燃，同時具有易加工特點。填料多為氮化物AlN，BN，或金屬氧化物ZnO，Al2O3，填充量及配比會影響導熱墊片的熱導率。如對絕緣性要求不高，可多添加高導熱性、非緣緣性填料，可獲得更高的熱導率。
導熱墊片通常用于一些不方便涂敷導熱膏的地方。例如，主板版本的電源部分，主板的電源部分的電流部分相對較大，但是mos管部分不是扁平的，并且涂敷導熱膏是不方便的。因此，可以附著導熱墊片。另外，在顯卡的散熱器下，多個部件需要與顯卡的不同部分接觸，導熱膏使用起來也不方便，可以用導熱墊片代替。具有相同導熱性的導熱膏比導熱墊片更好，因為導熱膏的熱阻很小。因此，為了獲得相同的導熱率，導熱墊片的導熱率必須高于導熱膏的導熱率。
3、導熱凝膠
導熱凝膠是一種常用導熱界面材料，兼具導熱墊片和導熱膏的優點：導熱凝膠使用時為膏狀形態，流動性好，能在較小的安裝壓力（小于20psi）下填補不平整的兩固體表面之間的間隙；可在裝配后逐漸硫化，所以裝配厚度可做到很低（比導熱墊片壓縮更低的厚度），熱阻相對較低，還可以設計成具備較高的觸變性，以使其在壓縮時無明顯流淌，保持一定形狀，其與導熱膏相比還能填充更大的縫隙，硫化后狀態穩定，沒有出油和變干的風險。據說好的導熱凝膠使用壽命可長達10年，而導熱脂一年就報廢需要重新涂是常態。
?
▲漢高10.0W/(m.K)超高導熱凝膠
BERGQUISTLIQUIFORMTLF10000
4、導熱相變材料
相變材料具有能量緩沖效果，通過相變過程中熱量吸收或釋放，額外增加熱耗散路徑，有利于余熱的傳播和擴散，防止溫度急劇上升，元器件工作溫度得到緩解，從而延長使用壽命。通常，相變材料是無硅石蠟的蠟材料，但也可以以丙烯酸為基礎。
相變材料及其載體材料的總熱導率取決于載體材料的熱導率。根據載體材料不同，相變材料分為以下兩大類：
1）有機相變材料，或高分子相變材料。熔融溫度在50~80℃，熱塑性樹脂，如石蠟、酯類、醇類有機物，具有性能穩定、成本低的優點。高分子聚合物基體，導熱性不佳，需要添加高導熱材料。浸潤性不如導熱膏，多次循環后不能有效填充界面空隙。
2）無機相變材料，主要包含合金和熔融鹽，金屬本身（如Al）具有高導熱性，不需要導熱材料的加入，但容易被氧化與腐蝕，填充界面空隙能力較差。
5、導熱膠帶
導熱膠帶在元件和散熱器之間建立牢固的結合而無需額外的緊固件，可以以減少對螺釘和夾子的需求。導熱膠帶用作散熱元器件的貼合材料，具有高導熱性、絕緣、固定功能，兼有柔軟、服帖、強黏等特性。導熱膠帶與普通膠帶或雙面膠帶大致相同，是在聚酰亞胺膜、金屬箔帶等支撐材料單面或雙面涂覆導熱膠的膠帶。相比其它液態導電膏，簡化了工藝，能適應接觸面的不規則形狀，不會溢出污染元器件，穩固性好，不會輕易移動。
導熱膠帶中填充導熱顆粒有限，熱導率相對較低，通常為1~2W/(m·K)，僅應用于黏接，更加適用于小功率元器件。
6、導熱灌封膠
灌封指按照要求把構成電子元器件的各個組分合理組裝、鍵合、與環境隔離和保護等封裝操作，可起到防塵、防潮、防震的作用，可延長電子元器件的使用壽命。
導熱灌封膠多為雙組分膠，可固化。嚴格意義上講，灌封膠不屬于界面材料，因為它會充滿整個模塊的空間。灌封膠在未固化前屬于液體狀，具有流動性，膠液黏度根據產品的材質、性能、生產工藝的不同而有所區別。灌封膠完全固化后才能實現它的使用價值。
?
?
參考資料：
1、優化熱管理性能：電動車輛和電子產品熱管理，LORDCorporation
2、www.boydcorp.com
免責聲明:素材來源于粉體圈,如有侵權,請聯系刪除!
?
聯系客服
