精彩看点：不要忽视热界面材料

来源：Digi-Key
作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技术支持工程师

在热管理领域，人们对风扇、散热器和珀尔帖装置给予了很大的关注，这可能使人们很容易忘记这些组件的组装方式。热界面材料 (TIM) 在为这些其他热管理技术提供最佳性能方面是最重要的。TIM 的用处是用一种导热率比空气更好的物质占据两个不均匀的表面之间细小的微观空隙。TIM 可以由各种能够提高导热率的材料组成，能够确保实现从像功率晶体管之类发热元件到散热器、热电冷却器或这两者的有效热传递。本文旨在明确导热率和热阻概念，同时为设计工程师提供有关不同类型 TIM 的高层次入门知识。

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图 1：TIM 填充两个非均匀表面之间气隙的基本表现。（图片来源：CUI Devices）

导热率概述

为了完全掌握填充这些微观空隙增强传热的原理，清楚了解导热率至关重要。导热率衡量的是材料传输热量的能力，与具体部件的尺寸无关。该参数一般以功率除以面积乘以温度为单位进行量化，如 W/m℃ 或 W/m*K。应该注意的是，由于在开尔文尺度上一个单位相当于一摄氏度，因此在进行计算时，只与温度的相对变化相关，而不是与绝对值相关。

在处理散热时，导热率越高总是越好的。低导热率的材料表现出较低的热传递率，而高导热率的材料则传热更快。从参考角度来说，空气的导热率仅为 0.0263 W/m*K，比热界面材料的导热率大约低两个数量级。当元件和散热器之间存在空气间隙时，散热将受到阻碍。通过使用 TIM 填充这些空隙，就可以实现更有效的热传导，因为 TIM 的导热率明显高于空气。

热阻概述

另一个因素是热阻，它与具体组件的形状高度相关，并以温度除以功率为单位，即每瓦特摄氏度。虽然在 CUI Devices 的《热管理概述》和《如何选择散热器》博客中详细介绍了热阻问题，但这里我们再快速回顾一下。热阻，以 C/W 为单位，确定了每耗散一瓦功率时结点的温度会升高多少摄氏度。例如，如果一个耗散 4 瓦功率的结的热阻为 10 C/W，那么其温度将在环境温度基础上增加 40 摄氏度。通常情况下，热阻值是针对特定的介质和面积的，如 TO-220 封装与空气之间没有散热器。

当几个器件集成在一起时，就会产生一个新的热阻值。然而，这个热阻值是假设两个表面之间存在完美的连接，而现实并不总是如此。在这种情况下，采用热界面材料可以创造尽可能接近理想的条件。虽然这确实改善了传热，但也增加了复杂程度，因为 TIM 的热阻必须计算在内。看起来很讽刺的是，热界面材料在减少两个物体之间热阻的同时，它也拥有自己的热阻。这个值并非不重要，但它在两个物体之间减少的热阻仍然大大超过它增加的热阻。根据所采用的 TIM 的类型，这种热阻可能已经提供，或者需要根据 TIM 的厚度和施用的表面积来计算。

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图2 ：应用中可能考虑的典型热阻路径示例。（图片来源：CUI Devices）

常见热界面材料类型

热界面材料可能采取凝胶、油脂、膏状物和垫子形式，为解决热管理挑战提供了多样化的解决方案。其中，包括凝胶和油脂在内的热界面膏剂，以其高导热率、灵活性和填充较大间隙的能力而闻名。但膏剂涂覆可能很复杂，特别是在不平整的表面上，而且可能并不总是产生一致的结果。过度涂覆会导致整体效果下降，而涂覆不足则会影响热界面的性能。此外，金属基膏剂具有优异的导热率，如果溅到印刷电路板上，可能会造成电气危险。陶瓷或碳基膏剂可能是一个更安全的选择，但其热效率可能不如金属基的好。

相比之下，导热垫则是由硅或非硅弹性体制成的固体 TIM。此外，也有许多其他材料可供选择。例如，CUI Devices 的导热垫具有天然的粘性和电隔离特性，并提供不同的导热率等级，范围从 1.0 到 6.0 W/m*K 不等。使用热界面垫而不是膏剂的主要好处之一是它们易于使用。CUI Devices 的导热垫是根据其珀尔帖元件的外形预先切割的，与购买大张的导热垫材料并将其切割成一定尺寸相比，这样可以节省时间，并在组装时提供更多便利。导热垫还提供了更高的一致性，更少的脏乱，并且比导热膏更可重复使用。

但是，在用户面临不同设备和尺寸的情况下，由于其通用性，导热膏仍然是首选。导热膏在业余爱好者中也很受欢迎，因为它价格便宜，而且很容易买到小管装的，不需要精确的计量和裁切。这使得它成为小项目和一次性应用的方便选择。以下是对不同 TIM 选择的快速总结：

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表 1：热界面材料选择汇总。（图片来源：CUI Devices）

结语

有效进行热管理是一个复杂的问题，需要一系列的策略和解决方案。不要忽视热界面材料作为整个系统的关键组成部分的重要性，这很关键。无论是在原型阶段，还是生产过渡阶段，或者只是在 DIY 项目中使用热界面材料，了解其使用必要性的原因和其功能背后的机制，可以让设计的热性能获得重大提升。