电子设备的性能在不断提高，但它们消耗的功率和产生的热量也更大。如果热量不能有效散失，设备的性能就会受到影响。当电子元件与散热器相互接触时，其固-固接触界面会存在空气间隙，实际的接触面积大约是宏观接触面积的10%，大量空隙由空气填充。空气是热的不良导体，常温下空气的导热系数仅为0.026W/(m·K)，空气的存在阻碍了界面之间的传热，导致芯片与散热器间的界面热阻增大，大幅降低系统散热效率，从而降低芯片使用寿命。散热不良会使电子产品的系统可靠性下降，产品性能故障，一个简单的案例就是当你的笔记本散热不良就是卡顿甚至强制关机，路由器散热不良会频繁掉线断你网。

▲散热器热传递示意图（来源：boydcorp.com）

上图①没有使用TIM，来自黑色表面的热量只能在红色高亮点传导至灰色散热器。橙色箭头有助于视觉化来自整个黑色表面的热量，但实际只有相当少的几个红色接触点，气袋以浅蓝色表示。热量当然也可以通过浅蓝色气袋传导，但相比通过红色接触点的传导水平，非常低效且量很小；上图②中深蓝色代表热界面材料。大部分浅蓝色气袋已经被消除，由更具传导性的柔软的热界面材料代替。TIM可以填充两个表面之间的空隙，从而增加有效接触面积，配合热界面材料自身的高导热率，可以很好的解决材料接触界面的热传导不顺畅的问题。多数情况下，100%消除空气几乎不可能，因此，小凹陷和小孔中仍然会有小气袋。但是，此时的热性能相比未使用TIM的情况已有极大改善；这也适用于任何电设备。电设备通常密封在箱体内，不通过热界面材料将热量传导至金属散热器。

为保证发热元件的正常工作，在发热电子元件和散热装置之间填充能快速有效传热的材料，该材料称为热界面材料(ThermalInterfaceMaterials，TIMs)。热界面材料的使用从本质上改变了粗糙表面固体之间的热路径，从通过点接触和空气传导变为完全通过固体传导。热界面材料被认为是任何高效热管理系统的重要组成部分，这些材料广泛用于消费和工业电子系统，以确保高效散热并防止局部温度过载。对于任何热管理解决方案来说，热界面材料（TIM）都是不可忽视的关键组成部分。

根据TIM在先进封装中的应用根据所处位置，分为TIM1和TIM2，TIM1又称一级TIM，是芯片与封装外壳之间的热界面材料，与发热量极大的芯片直接接触，要求TIM1材料具有低热阻和高热导率，CTE与硅片匹配。TIM2又称二级TIM，是封装外壳与热沉之间的TIM。TIM2相对TIM1要求低。TIM1需要具备电绝缘性能，以防止电子元器件短路，一般多为聚合物基复合材料；TIM2没有电绝缘性能要求，一般多为碳基TIM。

未填充导热填料的聚合物（树脂材料：硅胶、环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸）导热系数约为0.1W/(m·K)，简单地用油脂代替空气依然可以将热阻降低五倍左右[空气的导热系数仅为0.026W/(m·K)]。目前几乎所有的热界面材料都填充有导热的填料颗粒，导热填料的加入提高了聚合物的导热系数，同时保留了聚合物良好的柔韧性、低成本以及易于加工成型的优点，通过填料的添加可以将聚合物（树脂材料）热导率提高到7W/(m·K)范围。常见的导热包含金属类填料（尤其是银）及无机颗粒填料：氧化铝、氧化镁、氧化硅、氮化铝、氮化硼和金刚石粉末等。

信越化学“TC-BGI系列”电动汽车零部件用散热硅橡胶片热界面材料，具有7W/（m·K）的高导热率，0.3mm厚的片材可以保证5kV的耐压。根据信越化学官网描述，TC散热硅橡胶片含有高比例的导热填料，使用了高热导率的氮化硼化合物作为填料，并应用了玻璃布增强而具有优异的撕裂强度。

一、常见热界面材料产品

根据实际应用设计及生产工艺的需求，热界面材料会以不同的产品形态出现，不同的热界面材料有什么样的特点呢？

▼导热介质性能指标表

1、导热膏/导热脂

呈液态或膏状，具有一定流动性，在一定压强下（100~400Pa）下可以在两个固体表面间形成一层很薄的膜，能极大地降低异质表面间的热阻。主要以硅酮或者烃油等高分子材料作为基体，以各类导热材料为填料：AlN或ZnO，也可以选BN，Al2O3，SiC或银，石墨，铝粉及金刚石粉末。导热膏工艺操作简单施工方式通常是网印或直接涂抹，不需要固化，成本较低。市场份额最大，导热率高；使用过程需要很小的扣合压力；与基材润湿性好，有利于空气排出，达到提高整体导热性目换。大多数导热膏都是硅基的（导热硅脂），市场上有针对对硅敏感的应用的无硅润滑脂。对于禁止使用硅脂的敏感应用，例如光学部件和汽车照明中，可选择使用无硅系列产品。

缺点在于：具有流动性，容易溢出污染-Pump-Out，且不易清洁，对使用者亲和力差；多次循环后基体材料容易出现分离，出现溢油现象，易随时间干涸。

2、导热垫片

导热硅胶片、导热硅胶垫、电绝缘导热片或软性散热垫等，通常以硅橡胶为高分子聚合物基体，添加高导热性填料合成的片状热界面材料。主要应用于填充发热元器件和散热片或金属底座之间的空隙，完成两者之间的热传递，同时起减震、绝缘、密封作用。

▲导热垫片单侧或两侧具有天然粘性

基体以有机硅聚合物为主，高温下介电性能比较稳定、耐氧化、绝缘性好、耐水阻燃，同时具有易加工特点。填料多为氮化物AlN，BN，或金属氧化物ZnO，Al2O3，填充量及配比会影响导热垫片的热导率。如对绝缘性要求不高，可多添加高导热性、非缘缘性填料，可获得更高的热导率。

导热垫片通常用于一些不方便涂敷导热膏的地方。例如，主板版本的电源部分，主板的电源部分的电流部分相对较大，但是mos管部分不是扁平的，并且涂敷导热膏是不方便的。因此，可以附着导热垫片。另外，在显卡的散热器下，多个部件需要与显卡的不同部分接触，导热膏使用起来也不方便，可以用导热垫片代替。具有相同导热性的导热膏比导热垫片更好，因为导热膏的热阻很小。因此，为了获得相同的导热率，导热垫片的导热率必须高于导热膏的导热率。

3、导热凝胶

导热凝胶是一种常用导热界面材料，兼具导热垫片和导热膏的优点：导热凝胶使用时为膏状形态，流动性好，能在较小的安装压力（小于20psi）下填补不平整的两固体表面之间的间隙；可在装配后逐渐硫化，所以装配厚度可做到很低（比导热垫片压缩更低的厚度），热阻相对较低，还可以设计成具备较高的触变性，以使其在压缩时无明显流淌，保持一定形状，其与导热膏相比还能填充更大的缝隙，硫化后状态稳定，没有出油和变干的风险。据说好的导热凝胶使用寿命可长达10年，而导热脂一年就报废需要重新涂是常态。

4、导热相变材料

相变材料具有能量缓冲效果，通过相变过程中热量吸收或释放，额外增加热耗散路径，有利于余热的传播和扩散，防止温度急剧上升，元器件工作温度得到缓解，从而延长使用寿命。通常，相变材料是无硅石蜡的蜡材料，但也可以以丙烯酸为基础。

相变材料及其载体材料的总热导率取决于载体材料的热导率。根据载体材料不同，相变材料分为以下两大类：

1）有机相变材料，或高分子相变材料。熔融温度在50~80℃，热塑性树脂，如石蜡、酯类、醇类有机物，具有性能稳定、成本低的优点。高分子聚合物基体，导热性不佳，需要添加高导热材料。浸润性不如导热膏，多次循环后不能有效填充界面空隙。

2）无机相变材料，主要包含合金和熔融盐，金属本身（如Al）具有高导热性，不需要导热材料的加入，但容易被氧化与腐蚀，填充界面空隙能力较差。

5、导热胶带

导热胶带在元件和散热器之间建立牢固的结合而无需额外的紧固件，可以以减少对螺钉和夹子的需求。导热胶带用作散热元器件的贴合材料，具有高导热性、绝缘、固定功能，兼有柔软、服帖、强黏等特性。导热胶带与普通胶带或双面胶带大致相同，是在聚酰亚胺膜、金属箔带等支撑材料单面或双面涂覆导热胶的胶带。相比其它液态导电膏，简化了工艺，能适应接触面的不规则形状，不会溢出污染元器件，稳固性好，不会轻易移动。

导热胶带中填充导热颗粒有限，热导率相对较低，通常为1~2W/(m·K)，仅应用于黏接，更加适用于小功率元器件。

6、导热灌封胶

灌封指按照要求把构成电子元器件的各个组分合理组装、键合、与环境隔离和保护等封装操作，可起到防尘、防潮、防震的作用，可延长电子元器件的使用寿命。

导热灌封胶多为双组分胶，可固化。严格意义上讲，灌封胶不属于界面材料，因为它会充满整个模块的空间。灌封胶在未固化前属于液体状，具有流动性，胶液黏度根据产品的材质、性能、生产工艺的不同而有所区别。灌封胶完全固化后才能实现它的使用价值。

导热灌封胶是在普通灌封胶基础上添加导热填料形成的，如SiO2、Al2O3、AlN、BN等，不同的导热填料可得到不同的热导率，普通的可达0.6~2.0W/(m·K)，高热导率可达到4.0W/(m·K)。

二、导热应用案例

1、电池组

随着电池技术不断升级以提高能量密度、充电期间的热管理能力和放电过程对于优化性能至关重要。针对不同电池类型的兼容性和工艺定制化是关键要素。圆

柱形电池通常需要胶粘剂或灌封胶。软包电池通常使用填缝剂。方形电池可使用胶粘剂、灌封胶或填缝剂三种类型胶粘剂。

2、充电器

封装胶和填缝剂可提高电感器和变压器中的热流动、优化充电期间的性能并提高产品使用寿命。低粘度的封装胶易于流入细缝中、充分浸渍形状不规则的磁性组件,有助于置换空气并降低电感器的噪音。使用预先灌装的组件、填缝剂甚至可在组件与散热基板之间形成热界面。

3、电机

热量导致电机功率下降，使用寿命缩短。导热环氧树脂和硅胶灌封和封装胶有助于管理热量，提高功率密度，并延长电机使用寿命。

4、功率电子器件

为了延长功率电子器件的使用寿命，需要保持低热阻，并防止组件受冲击、湿气和碎片的影响。低粘度、高导热性灌封和封装胶可提供稳固的热界面，并保护精密的电子组件。其他热界面材料-凝胶、硅脂、胶粘剂和填缝剂-不仅可提高散热，同时具有出色的隔绝效果和减振性。

参考资料：

1、优化热管理性能：电动车辆和电子产品热管理，LORDCorporation

2、www.boydcorp.com

粉体圈编辑：Alpha

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