选择正确的热界面材料：浆料、焊盘或箔

选择合适的热界面材料

了解您的应用程序的要求是
选择正确的热界面材料的关键

在选择合适的导热材料时，许多人不确定要寻找什么。 在本文中，我们想为您提供您需要了解的有关热界面材料的所有信息。
一旦组件的性能提高，冷却需求也相应增加。 根据经验，结温每升高 10°C，故障率就会增加一倍。 因此，来自组件的热量必须散发到环境空气流中。
需求很大，因此开发了大量新的热管理系统。 几乎所有这些仍然使用热界面材料 (TIMS)，其设计目的是允许热量有效地流过冷却系统的适当界面。
TIM 的主要任务是保证向散热装置（如散热器或歧管）有效地传热。 随着热量的流动，它会反复遇到阻力，从而使整体传热复杂化并阻碍传热。 TIM 有助于克服最成问题的阻力。 我们谈论的是对应物（热源-散热器）之间的接触电阻。
这是因为气隙大大减少了热量从热组件流向冷组件。 有效的 TIM 替代了由非光滑配合表面产生的现有间隙。 这是在特殊材料的帮助下完成的，其导热率明显高于空气。 在这里，点接触和空气的不良传导被显着改善的固体传导所取代。
大多数 TIM 是聚合物基复合材料。 它们填充有导热的填料颗粒。 常见的填料有氧化铝、氮化硼、氮化铝和氧化镁。 如果不需要电流隔离，也可以使用银等金属填料。 为了降低接触电阻，需要在界面之间施加一定的压力。 然后该压力压缩填料颗粒，使材料流入表面不规则处。 一旦材料就位，TIM 的有效热阻包括材料的体电阻率以及 TIM 与其界面之间的接触电阻。

热界面材料的应用问题

尽管热界面和 TIM 通常在设计过程的早期就被考虑在内，但在实际选择热界面材料时应该考虑一些具体因素：

• 最重要的规格绝对是热阻抗，以度 Kin2 / W 为单位测量。 这是比率的特定应用度量
  两个配合表面与通过这些表面的稳态热流之间的温差。 由于额外的安装压力和面积的大小，
  热阻抗通常会随着 TIM 厚度的增加而降低。
• 材料无论其厚度如何都能传导热量的能力称为热导率，以 W/mK 为单位。 虽然 TIM 可以与热导率值进行比较，但该值并不表示材料在最小化接触电阻方面的能力有多好。
• 热源和热分配器之间的距离（间隙）也很重要。 通常，TIM 越薄越好。 然而，界面从来都不是完美的，因此需要最小厚度的材料来补偿不规则性。
• 为了选择材料类型，切割面的表面平整度是决定性因素。 例如，如果两个表面都是光滑的，油脂或薄膜是一个很好的选择，但这种情况很少见。 这是因为塑料IC通常中间是凹的。 如果散热器非常光滑，接触面就会减少，尤其是在边缘处。 这会在中间留下一个气穴。
• 有时需要以 kV 为单位测量的电气绝缘。 具有硅树脂基底的 TIM 与较厚的材料（例如导热垫（间隙填充物））具有此属性。
  然而，较薄的相变材料和润滑脂不一定是可靠的电绝缘体。 石墨本身是导电的。
• 在处理不规则表面时，可压缩性是一个关键因素。 一个很好的例子是当您想要涵盖整个范围的组件时。 例如，如果对基于硅树脂的 TIM 施加热量和过大的压力，则硅树脂会逸出并沿电路板迁移。 如果压力不足，界面处会出现过大的热阻。
• 材料可以使用的温度范围也很重要。 例如，硅基 TIM 比非硅基 TIM 可以承受更高的温度。
• 大多数 TIM 应用都需要 UL 阻燃等级。 大多数可供选择的材料都有满足典型要求的 V0 值。
• 一般来说，硅胶是一种具有高温范围的优良导热材料。 然而，有些领域必须使用无硅变体。 例如，由于放气，无法在太空中使用硅胶。
• 您还应该注意一个简单的应用程序。 毕竟，附件的类型是一个明确的成本和性能决定。 例如，小型散热器通常只需用双面导热胶带固定，而较大的散热器则需要额外的硬件。 可以根据需要将粘合剂涂在导热材料的两侧或一侧。 这里应该注意的是，热阻抗随着每一层粘合剂的增加而增加。
• 人们还应该问在制造环境中处理所选材料有多容易。 例如，如果必须移除散热器，是否可以简单地对材料进行返工？ 相变材料和导热膏必须完全更换，而一些导热垫可以重复使用。
• 最后，还应考虑材料的长期稳定性。 这取决于使用温度、时间、应用和材料特性等因素。

热界面材料选项

相变材料 (PCM)

相变材料 (PCM) 的独特之处在于，它们利用来自操作处理器的热量和轻微的夹紧压力经历从固态到半固态的转变。 半固相具有非常容易适应两个表面的特性。 在轻微夹紧压力下完全填充界面气隙和表面空隙的能力使这种材料的性能与导热硅脂相当。
PCM 的液体含量远低于脂肪。 然而，PCM 含有蜡，在达到熔化温度的那一刻，PCM 可以流出狭窄的区域。

值得庆幸的是，最近推出的 PCM 不再是基于蜡的，因此它们不会滴落。 PCM 在正常室温下很容易处理，因为它们是固体。 这在将实心焊盘应用于散热器表面时提供了更多控制。 许多相变垫在散热器和处理器之间形成了非常耐用的粘合剂。 因此，从处理器上卸下散热器时必须小心。 一个小的扭转动作通常有助于去除。 用力过猛会损坏处理器。

热复合

导热膏通常是富含导热填料的有机硅。 通常不需要硬化，它们可以流动并完美地适应界面。 热界面可以很容易地返工。 但是，必须确保在安装散热器之前已经涂抹了足够的糊剂或油脂。 油脂太少会导致散热器和处理器之间出现间隙。 另一方面，过多的油脂也会适得其反，因为它会导致气隙和界面外泄漏。 还应该注意的是，随着长时间的使用，通常随着时间的推移，一些润滑脂会变质或变干。 当然，这对传热性能有负面影响。 导热膏作为界面材料（TIM）仍然是
高性能处理器应用的首选——尽管存在上述缺点。 这主要是因为导热硅脂的导热系数在 10 W/mK 量级，明显优于其他 TIM。

间隙填充物

TIM 的最大细分市场之一是填隙材料。 这些可以提供不同的强度。 这些高效、柔软和高导热材料可以覆盖高达 15 毫米的间隙。 实用的填缝剂可以覆盖多个不同高度的组件，然后将热量传递到一个普通的散热器中。 这些垫很受欢迎，通常在需要低压缩力时使用。 因此，相对较高的可压缩性是此类 TIM 的一个重要特征。 填缝剂也可以单独成型，特别是新的 Formin-Place 填缝剂连接是自动化大型填缝剂的流行选择
卷。

热箔

导热箔不仅可以进行热传递，还可以提供电绝缘。 在抗撕裂性和抗穿刺性方面，热膜具有出色的耐用性。 有机硅和非有机硅（例如陶瓷填充的聚氨酯）热界面箔和石墨材料属于这一类。 导热系数的范围和价格范围很广，让每个人都能找到好的解决方案。

间隙垫

导热垫通常由带有导电填料的未增强硅胶模制而成。 导热垫增强材料通常是编织玻璃、金属箔或聚合物薄膜。 方便的导热垫通常预先切割成不同的尺寸，以适应不同尺寸的组件。 虽然相变材料和导热膏在传导方面明显优于导热垫，但导热垫的优势在于对于冷却要求较低的应用来说是一种便宜且方便的选择。

石墨箔

这种高性价比的选择已经使用了很长时间。 箔片具有导电性，可在高达 500 ºC 的高温下使用。 一些供应商水平对齐光纤。 这导致非常不同的热导率测量。 有材料在 x 轴上显示 7,0 W / mK 在 yz 轴上显示 150,0 W / mK - 明显不同。

双面导热胶带

导热胶带可以由精细编织的镀镍铜网组成，紧密贴合不规则的安装表面。 为了将小型散热器连接到组件上，经常使用由 PSA 制成的导热双面胶带。 这里的重要因素是剥离强度、搭接和冲切强度、保持力和耐热性。 就双面胶的导热性能而言，处于中等水平。 尽管您节省了额外的组装零件，但胶带存在组件表面不规则的问题，因此用途有限。 塑料 IC 通常在中间是凹的，并且散热片表面会发生变化，这可能会导致接口中出现气隙。

热粘合剂

热粘合剂 - 也称为热粘合剂 - 可以是单组分和双组分系统。 这些都配备了导电填料。 该应用程序通常通过定量或模板印刷来完成。 粘合剂的固化对于聚合物的安全交联是必要的，这提供了粘合性能。 热粘合剂提供结构支撑，无需机械夹紧，这一事实无疑是该 TIM 的最大优势。

热凝胶

凝胶是一种与脂肪类似的材料，只是略微交联。 行为相应相似，材料的渗出减少。

由金属制成的 TIM

金属热界面材料可以制成各种形状，不再局限于焊接应用。 在众多应用中，由金属制成的 TIM 可以很好地返工，也可以毫无问题地回收利用。
近来，功率放大器和IGBT模块等特殊器件对高性能TIM的需求增加，促使制造商探索其他类型的金属TIM。
很好的例子有：液态金属、相变金属和 SMA-TIM（软金属合金）。
当然，最容易使用的是柔软或可压缩的金属热界面材料 (SMA-TIM)。 金属 TIM 具有高导热性、可靠且易于与可压缩金属一起使用。

最近，还开发了一种混合材料，它由一侧的导热硅胶膜和另一侧的铜膜组成。 这种材料特别适合制作柔性电路和防止 EMI 和 RFI 噪声。

结论

不幸的是，热界面通常只在冷却系统的设计阶段才被考虑到。 这绝对不是最好的做法。 毕竟，TIM 显然是热管理设计成本的关键因素。如今，需要管理的多余热量通常越来越多，因此显然需要高性能 TIM。
如果使用得当，热界面材料肯定有助于减小散热器的尺寸以及对越来越大风扇的需求。 此外，与更换散热器或完全重新设计外壳相比，良好的 TIM 是一种更容易、更快且绝对更便宜的选择。