來(lái)源：Digi-Key
作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術(shù)支持工程師

在熱管理領(lǐng)域，人們對(duì)風(fēng)扇、散熱器和珀?duì)柼b置給予了很大的關(guān)注，這可能使人們很容易忘記這些組件的組裝方式。熱界面材料 (TIM) 在為這些其他熱管理技術(shù)提供最佳性能方面是最重要的。TIM 的用處是用一種導(dǎo)熱率比空氣更好的物質(zhì)占據(jù)兩個(gè)不均勻的表面之間細(xì)小的微觀空隙。TIM 可以由各種能夠提高導(dǎo)熱率的材料組成，能夠確保實(shí)現(xiàn)從像功率晶體管之類發(fā)熱元件到散熱器、熱電冷卻器或這兩者的有效熱傳遞。本文旨在明確導(dǎo)熱率和熱阻概念，同時(shí)為設(shè)計(jì)工程師提供有關(guān)不同類型 TIM 的高層次入門知識(shí)。

(相關(guān)資料圖)

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圖 1：TIM 填充兩個(gè)非均勻表面之間氣隙的基本表現(xiàn)。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

導(dǎo)熱率概述

為了完全掌握填充這些微觀空隙增強(qiáng)傳熱的原理，清楚了解導(dǎo)熱率至關(guān)重要。導(dǎo)熱率衡量的是材料傳輸熱量的能力，與具體部件的尺寸無(wú)關(guān)。該參數(shù)一般以功率除以面積乘以溫度為單位進(jìn)行量化，如 W/m℃ 或 W/m*K。應(yīng)該注意的是，由于在開(kāi)爾文尺度上一個(gè)單位相當(dāng)于一攝氏度，因此在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，只與溫度的相對(duì)變化相關(guān)，而不是與絕對(duì)值相關(guān)。

在處理散熱時(shí)，導(dǎo)熱率越高總是越好的。低導(dǎo)熱率的材料表現(xiàn)出較低的熱傳遞率，而高導(dǎo)熱率的材料則傳熱更快。從參考角度來(lái)說(shuō)，空氣的導(dǎo)熱率僅為 0.0263 W/m*K，比熱界面材料的導(dǎo)熱率大約低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)元件和散熱器之間存在空氣間隙時(shí)，散熱將受到阻礙。通過(guò)使用 TIM 填充這些空隙，就可以實(shí)現(xiàn)更有效的熱傳導(dǎo)，因?yàn)?TIM 的導(dǎo)熱率明顯高于空氣。

熱阻概述

另一個(gè)因素是熱阻，它與具體組件的形狀高度相關(guān)，并以溫度除以功率為單位，即每瓦特?cái)z氏度。雖然在 CUI Devices 的《熱管理概述》和《如何選擇散熱器》博客中詳細(xì)介紹了熱阻問(wèn)題，但這里我們?cè)倏焖倩仡櫼幌隆嶙瑁?C/W 為單位，確定了每耗散一瓦功率時(shí)結(jié)點(diǎn)的溫度會(huì)升高多少攝氏度。例如，如果一個(gè)耗散 4 瓦功率的結(jié)的熱阻為 10 C/W，那么其溫度將在環(huán)境溫度基礎(chǔ)上增加 40 攝氏度。通常情況下，熱阻值是針對(duì)特定的介質(zhì)和面積的，如 TO-220 封裝與空氣之間沒(méi)有散熱器。

當(dāng)幾個(gè)器件集成在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的熱阻值。然而，這個(gè)熱阻值是假設(shè)兩個(gè)表面之間存在完美的連接，而現(xiàn)實(shí)并不總是如此。在這種情況下，采用熱界面材料可以創(chuàng)造盡可能接近理想的條件。雖然這確實(shí)改善了傳熱，但也增加了復(fù)雜程度，因?yàn)?TIM 的熱阻必須計(jì)算在內(nèi)。看起來(lái)很諷刺的是，熱界面材料在減少兩個(gè)物體之間熱阻的同時(shí)，它也擁有自己的熱阻。這個(gè)值并非不重要，但它在兩個(gè)物體之間減少的熱阻仍然大大超過(guò)它增加的熱阻。根據(jù)所采用的 TIM 的類型，這種熱阻可能已經(jīng)提供，或者需要根據(jù) TIM 的厚度和施用的表面積來(lái)計(jì)算。

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圖2 ：應(yīng)用中可能考慮的典型熱阻路徑示例。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

常見(jiàn)熱界面材料類型

熱界面材料可能采取凝膠、油脂、膏狀物和墊子形式，為解決熱管理挑戰(zhàn)提供了多樣化的解決方案。其中，包括凝膠和油脂在內(nèi)的熱界面膏劑，以其高導(dǎo)熱率、靈活性和填充較大間隙的能力而聞名。但膏劑涂覆可能很復(fù)雜，特別是在不平整的表面上，而且可能并不總是產(chǎn)生一致的結(jié)果。過(guò)度涂覆會(huì)導(dǎo)致整體效果下降，而涂覆不足則會(huì)影響熱界面的性能。此外，金屬基膏劑具有優(yōu)異的導(dǎo)熱率，如果濺到印刷電路板上，可能會(huì)造成電氣危險(xiǎn)。陶瓷或碳基膏劑可能是一個(gè)更安全的選擇，但其熱效率可能不如金屬基的好。

相比之下，導(dǎo)熱墊則是由硅或非硅彈性體制成的固體 TIM。此外，也有許多其他材料可供選擇。例如，CUI Devices 的導(dǎo)熱墊具有天然的粘性和電隔離特性，并提供不同的導(dǎo)熱率等級(jí)，范圍從 1.0 到 6.0 W/m*K 不等。使用熱界面墊而不是膏劑的主要好處之一是它們易于使用。CUI Devices 的導(dǎo)熱墊是根據(jù)其珀?duì)柼耐庑晤A(yù)先切割的，與購(gòu)買大張的導(dǎo)熱墊材料并將其切割成一定尺寸相比，這樣可以節(jié)省時(shí)間，并在組裝時(shí)提供更多便利。導(dǎo)熱墊還提供了更高的一致性，更少的臟亂，并且比導(dǎo)熱膏更可重復(fù)使用。

但是，在用戶面臨不同設(shè)備和尺寸的情況下，由于其通用性，導(dǎo)熱膏仍然是首選。導(dǎo)熱膏在業(yè)余愛(ài)好者中也很受歡迎，因?yàn)樗鼉r(jià)格便宜，而且很容易買到小管裝的，不需要精確的計(jì)量和裁切。這使得它成為小項(xiàng)目和一次性應(yīng)用的方便選擇。以下是對(duì)不同 TIM 選擇的快速總結(jié)：

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表 1：熱界面材料選擇匯總。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

結(jié)語(yǔ)

有效進(jìn)行熱管理是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要一系列的策略和解決方案。不要忽視熱界面材料作為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分的重要性，這很關(guān)鍵。無(wú)論是在原型階段，還是生產(chǎn)過(guò)渡階段，或者只是在 DIY 項(xiàng)目中使用熱界面材料，了解其使用必要性的原因和其功能背后的機(jī)制，可以讓設(shè)計(jì)的熱性能獲得重大提升。

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