作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技术支持工程师

　　在热管理领域，风扇、散热器和 Peltier 设备备受关注，可能很容易忘记这些组件的组装方式。热界面材料 (TIM) 在提供这些其他热管理技术的最佳性能方面至关重要。 TIM 的目的是用导热性优于空气的物质填充两个不均匀表面之间存在的微小空隙。 TIM 可以包含各种用于增强导热性的材料，确保从功率晶体管等发热元件到散热器、热电冷却器或两者等散热器的有效热传递。本文将致力于更详细地定义热导率和阻抗，同时为设计工程师提供有关不同类型 TIM 的高级入门知识。

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

　　导热系数概述

　　为了充分了解填充这些微观空隙如何增强传热，必须清楚地了解导热性。热导率是衡量材料传热能力的指标，与给定组件的尺寸无关。该参数通常以功率除以面积乘以温度的单位进行量化，例如 W/m°C 或 W/m*K。需要注意的是，由于开尔文单位相当于摄氏度一度，因此在进行计算时，只涉及温度的相对变化，而不是绝对值。

　　在处理散热问题时，更高的导热系数总是更可取的。低导热率材料表现出低传热率，而高导热率材料允许更快速的传热。就上下文而言，空气的导热系数仅为 0.0263 W/m*K，比热界面材料的导热系数低大约两个数量级。当组件和散热器之间存在气隙时，散热将受到阻碍。通过用热导率比空气高得多的 TIM 填充这些空隙，可以实现更高效的热传递。

　　热阻概述

　　另一方面，热阻抗或电阻在很大程度上取决于特定组件的形状，并以温度除以功率的单位表示，即每瓦摄氏度。虽然热阻在 CUI Devices 的热管理概述和如何选择散热器博客中有详细介绍，但这里只是快速回顾一下。以 C/W 为单位表示的热阻决定了每瓦功率耗散的结点会升高多少摄氏度。例如，如果耗散 4 瓦功率的结具有 10 C/W 的电阻，则相对于环境温度，它的温度将升高 40 摄氏度。通常，热阻值是针对特定介质和区域引用的，例如没有散热器的 TO-220 封装到空气。

　　当多个设备集成在一起时，会分配一个新的热阻值。然而，此热阻值假定两个表面之间存在完美连接，但情况并非总是如此。在这种情况下，使用热界面材料来创造尽可能接近理想的条件。虽然这确实改善了传热，但也增加了一定程度的复杂性，因为 TIM 的热阻必须包含在计算中。具有讽刺意味的是，虽然热界面材料降低了两个物体之间的热阻，但它也拥有自己的热阻。这个值不是微不足道的，但它仍然大大减少了两个物体之间的热阻，而不是增加了热阻。根据所用 TIM 的类型，该热阻可能会提供或需要根据 TIM 的厚度及其应用的表面积进行计算。

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

　　热界面材料的常见类型

　　热界面材料可以采用凝胶、油脂、糊状物和垫的形式，为应对热管理挑战提供了多种解决方案。其中，热界面膏(包括凝胶和油脂)以其高导热性、柔韧性和填充较大间隙的能力而著称。然而，糊状物的应用可能很复杂，尤其是在不平坦的表面上，并且可能并不总是产生一致的结果。过度应用会导致整体效率降低，而应用不足会影响热界面的性能。此外，具有出色导热性的金属基焊膏如果溅到 PCB 上，可能会造成电气危险。陶瓷或碳基糊剂可能是更安全的替代品，但它们的热效率可能不如基于金属的选项。

　　相比之下，导热垫是由硅树脂或非硅树脂弹性体制成的固体 TIM，还有许多其他材料可供选择。例如，CUI Devices 的导热垫 具有天然粘性、电绝缘性，并且具有不同的导热率等级，范围从 1.0 到 6.0 W/m*K。使用热界面焊盘而不是焊膏的主要好处之一是它们易于应用。 CUI Devices 的导热垫经过预切割以匹配其Peltier 设备的外形，与购买大片垫材料并将其切割成一定尺寸相比，这可以节省时间并在组装过程中提供更多便利。导热垫还提供更高的一致性、更少的混乱，并且比导热膏更可重复使用。

　　然而，在用户面临各种设备和尺寸的情况下，导热膏由于其多功能性仍然是首选。导热膏在业余爱好者中也很受欢迎，因为它价格低廉，而且装在小管子里很容易买到，不需要精确测量和确定尺寸。这使其成为小型项目和一次性应用程序的便捷选择。以下是不同 TIM 选项的简要总结：

　　表 1：热界面材料选项汇总。 (图片来源：CUI Devices)

　　结论

　　高效的热管理 是一个复杂的问题，需要一系列的策略和解决方案。至关重要的是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。无论是在原型阶段、过渡到生产阶段，还是仅在 DIY 项目中使用热界面材料，了解其必要性的原因及其功能背后的机制都可以对设计的热性能产生重大影响。