作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術(shù)支持工程師

　　在熱管理領(lǐng)域，風(fēng)扇、散熱器和 Peltier 設(shè)備備受關(guān)注，可能很容易忘記這些組件的組裝方式。熱界面材料 (TIM) 在提供這些其他熱管理技術(shù)的最佳性能方面至關(guān)重要。 TIM 的目的是用導(dǎo)熱性優(yōu)于空氣的物質(zhì)填充兩個不均勻表面之間存在的微小空隙。 TIM 可以包含各種用于增強(qiáng)導(dǎo)熱性的材料，確保從功率晶體管等發(fā)熱元件到散熱器、熱電冷卻器或兩者等散熱器的有效熱傳遞。本文將致力于更詳細(xì)地定義熱導(dǎo)率和阻抗，同時為設(shè)計工程師提供有關(guān)不同類型 TIM 的高級入門知識。

　　圖 1：TIM 填充兩個不均勻表面之間氣隙的基本表示。 (圖片來源：CUI Devices)

　　導(dǎo)熱系數(shù)概述

　　為了充分了解填充這些微觀空隙如何增強(qiáng)傳熱，必須清楚地了解導(dǎo)熱性。熱導(dǎo)率是衡量材料傳熱能力的指標(biāo)，與給定組件的尺寸無關(guān)。該參數(shù)通常以功率除以面積乘以溫度的單位進(jìn)行量化，例如 W/m°C 或 W/m*K。需要注意的是，由于開爾文單位相當(dāng)于攝氏度一度，因此在進(jìn)行計算時，只涉及溫度的相對變化，而不是絕對值。

　　在處理散熱問題時，更高的導(dǎo)熱系數(shù)總是更可取的。低導(dǎo)熱率材料表現(xiàn)出低傳熱率，而高導(dǎo)熱率材料允許更快速的傳熱。就上下文而言，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為 0.0263 W/m*K，比熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)低大約兩個數(shù)量級。當(dāng)組件和散熱器之間存在氣隙時，散熱將受到阻礙。通過用熱導(dǎo)率比空氣高得多的 TIM 填充這些空隙，可以實(shí)現(xiàn)更高效的熱傳遞。

　　熱阻概述

　　另一方面，熱阻抗或電阻在很大程度上取決于特定組件的形狀，并以溫度除以功率的單位表示，即每瓦攝氏度。雖然熱阻在 CUI Devices 的熱管理概述和如何選擇散熱器博客中有詳細(xì)介紹，但這里只是快速回顧一下。以 C/W 為單位表示的熱阻決定了每瓦功率耗散的結(jié)點(diǎn)會升高多少攝氏度。例如，如果耗散 4 瓦功率的結(jié)具有 10 C/W 的電阻，則相對于環(huán)境溫度，它的溫度將升高 40 攝氏度。通常，熱阻值是針對特定介質(zhì)和區(qū)域引用的，例如沒有散熱器的 TO-220 封裝到空氣。

　　當(dāng)多個設(shè)備集成在一起時，會分配一個新的熱阻值。然而，此熱阻值假定兩個表面之間存在完美連接，但情況并非總是如此。在這種情況下，使用熱界面材料來創(chuàng)造盡可能接近理想的條件。雖然這確實(shí)改善了傳熱，但也增加了一定程度的復(fù)雜性，因為 TIM 的熱阻必須包含在計算中。具有諷刺意味的是，雖然熱界面材料降低了兩個物體之間的熱阻，但它也擁有自己的熱阻。這個值不是微不足道的，但它仍然大大減少了兩個物體之間的熱阻，而不是增加了熱阻。根據(jù)所用 TIM 的類型，該熱阻可能會提供或需要根據(jù) TIM 的厚度及其應(yīng)用的表面積進(jìn)行計算。

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

　　熱界面材料的常見類型

　　熱界面材料可以采用凝膠、油脂、糊狀物和墊的形式，為應(yīng)對熱管理挑戰(zhàn)提供了多種解決方案。其中，熱界面膏(包括凝膠和油脂)以其高導(dǎo)熱性、柔韌性和填充較大間隙的能力而著稱。然而，糊狀物的應(yīng)用可能很復(fù)雜，尤其是在不平坦的表面上，并且可能并不總是產(chǎn)生一致的結(jié)果。過度應(yīng)用會導(dǎo)致整體效率降低，而應(yīng)用不足會影響熱界面的性能。此外，具有出色導(dǎo)熱性的金屬基焊膏如果濺到 PCB 上，可能會造成電氣危險。陶瓷或碳基糊劑可能是更安全的替代品，但它們的熱效率可能不如基于金屬的選項。

　　相比之下，導(dǎo)熱墊是由硅樹脂或非硅樹脂彈性體制成的固體 TIM，還有許多其他材料可供選擇。例如，CUI Devices 的導(dǎo)熱墊 具有天然粘性、電絕緣性，并且具有不同的導(dǎo)熱率等級，范圍從 1.0 到 6.0 W/m*K。使用熱界面焊盤而不是焊膏的主要好處之一是它們易于應(yīng)用。 CUI Devices 的導(dǎo)熱墊經(jīng)過預(yù)切割以匹配其Peltier 設(shè)備的外形，與購買大片墊材料并將其切割成一定尺寸相比，這可以節(jié)省時間并在組裝過程中提供更多便利。導(dǎo)熱墊還提供更高的一致性、更少的混亂，并且比導(dǎo)熱膏更可重復(fù)使用。

　　然而，在用戶面臨各種設(shè)備和尺寸的情況下，導(dǎo)熱膏由于其多功能性仍然是首選。導(dǎo)熱膏在業(yè)余愛好者中也很受歡迎，因為它價格低廉，而且裝在小管子里很容易買到，不需要精確測量和確定尺寸。這使其成為小型項目和一次性應(yīng)用程序的便捷選擇。以下是不同 TIM 選項的簡要總結(jié)：

　　表 1：熱界面材料選項匯總。 (圖片來源：CUI Devices)

　　結(jié)論

　　高效的熱管理 是一個復(fù)雜的問題，需要一系列的策略和解決方案。至關(guān)重要的是不要忽視熱界面材料作為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分的重要性。無論是在原型階段、過渡到生產(chǎn)階段，還是僅在 DIY 項目中使用熱界面材料，了解其必要性的原因及其功能背后的機(jī)制都可以對設(shè)計的熱性能產(chǎn)生重大影響。