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已認(rèn)證
熱界面材料用于填補(bǔ)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)產(chǎn)生的微孔隙以及表面凹凸不平產(chǎn)生的空洞，創(chuàng)建一個(gè)高效的熱傳導(dǎo)路徑，從而顯著減少接觸面之間的熱阻。熱導(dǎo)率及熱阻都是熱界面材料中常常提及的物理量，接下來(lái)我們將一起探討這兩個(gè)概念及其在應(yīng)用中的影響。
一、熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)）
熱導(dǎo)率是材料固有的熱物理性質(zhì)，它描述的是熱量在材料內(nèi)部傳播的效率，
指的是單位時(shí)間單位溫度梯度下通過(guò)單位面積傳遞的熱量。熱導(dǎo)率越高，材料傳遞熱量的能力越強(qiáng)；熱導(dǎo)率越低，材料傳遞熱量的能力越差，從而可能引起溫升過(guò)高。目前，除液態(tài)金屬之外的大多數(shù)TIM均是由聚合物基體內(nèi)添加導(dǎo)熱粒子構(gòu)成，基體材料導(dǎo)熱性能較差，主要為復(fù)合材料提供填充界面間隙所需的流動(dòng)性、彈性、黏性等，而填料的導(dǎo)熱性能和界面性質(zhì)決定TIM的導(dǎo)熱性能。
基體材料是熱界面材料中重要的組成部分，其導(dǎo)熱性也會(huì)對(duì)熱界面材料的性能產(chǎn)生很大影響。相關(guān)研究表明：在同等填充量下，基體熱導(dǎo)率的微量提升就可以顯著改善熱界面材料整體熱導(dǎo)率。導(dǎo)熱粒子是熱量的主要傳載體，大致分為三類：碳質(zhì)填料、金屬填料和陶瓷類填料。一般而言，填料的本征熱導(dǎo)率越高熱界面材料的導(dǎo)熱性能就越好。除填料本征熱導(dǎo)率外，填料含量、形狀、粒度、取向以及填料間的復(fù)配都會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生一定的影響。
此外，界面熱阻也是影響熱界面材料熱導(dǎo)率的重要因素。對(duì)于復(fù)合材料自身來(lái)說(shuō)，界面熱阻主要源于兩部分，一個(gè)是填料-填料之間的接觸熱阻，另一個(gè)是填料-基體之間的熱阻。填料的表面改性被認(rèn)為是改善填料和基體之間界面相容性最有效的方法之一。改性常用硅烷偶聯(lián)劑，它同時(shí)含有硅官能團(tuán)和碳官能團(tuán)，具有有機(jī)和無(wú)機(jī)的共性，可以將表面極性差異很大的填料與有機(jī)基體界面有效偶聯(lián)，提高界面的粘接強(qiáng)度。
二、熱阻
熱界面材料目的在于用于降低電子器件中固體界面的熱阻，但熱界面材料本身對(duì)熱流就有較強(qiáng)的阻礙作用，因此在考慮熱阻時(shí)，需要考慮上熱界面材料自身體積熱阻Rbulk以及熱界面材料與界面的接觸熱阻Rc。
1、體積熱阻
熱阻是指特定厚度的材料對(duì)熱流的阻礙程度的測(cè)量值，對(duì)于均勻材料本身，熱阻與厚度成正比。對(duì)于非均勻材料，熱阻通常會(huì)隨厚度增加而增大，但可能不是線性關(guān)系。
在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)熱系數(shù)并不能真實(shí)反應(yīng)散熱效率，能夠真實(shí)反應(yīng)散熱效率的其實(shí)是熱阻。以常見(jiàn)的熱界面材料硅脂為例，材料熱阻=硅脂厚度/導(dǎo)熱系數(shù)，熱阻反應(yīng)的是整體的散熱效率，導(dǎo)熱系數(shù)只是反應(yīng)硅脂本身的熱導(dǎo)性能，厚度則是涂抹在CPU上硅脂的厚薄程度。簡(jiǎn)單的說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)越高的硅脂或是可以涂的越越薄的硅脂，它的熱阻就越低，導(dǎo)熱效率也就越好。當(dāng)然，使用TIM（熱界面材料）的目的是用來(lái)減少接觸面之間的熱阻，在應(yīng)用還需要把接觸熱阻的影響因素考慮上。
2、接觸熱阻
當(dāng)不同的表面相互接觸時(shí)熱量就會(huì)通過(guò)接觸面?zhèn)鬟f，理想的接觸表面要求一個(gè)面上的每個(gè)點(diǎn)在另一個(gè)面上都有與之相對(duì)應(yīng)的接觸點(diǎn)，實(shí)際工程中很難找到兩個(gè)完美契合的表面，芯片表面或蓋板表面看起來(lái)很光滑，但對(duì)蓋板表面進(jìn)行顯微鏡檢查依然可以得出典型的粗糙度輪廓，因此在兩個(gè)表面之間的接觸界面上會(huì)產(chǎn)生熱阻。此外，由于硅片與封裝基板間熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，導(dǎo)致硅片或芯片在使用時(shí)翹曲，將進(jìn)一步增加了界面熱阻。
表面平整度、表面粗糙度、夾緊壓力、材料厚度和壓縮彈性模量都對(duì)接觸熱阻有重要影響，這些表面條件隨將應(yīng)用場(chǎng)景不同而有所變化，因此一個(gè)結(jié)構(gòu)的總熱阻也因其應(yīng)用不同而不同。例如兩接觸面越光滑，則空隙就越小、接觸面就越多，接觸熱阻就會(huì)降低。同樣的，如果兩個(gè)表面擠壓得更緊實(shí)，則空隙就越小、接觸面就越多，觸熱阻就會(huì)降低。
三、減少總 熱阻的方法
單一的TIM材料本身熱導(dǎo)率高，并不能保證散熱效果，如何實(shí)現(xiàn)更低的總熱阻才是獲得好的散熱效果的關(guān)鍵。
減少總熱阻主要通過(guò)如下幾個(gè)途徑，①增加熱界面材料和塊體傳熱和散熱材料的熱導(dǎo)率；②增加熱界面材料與界面的潤(rùn)濕性或黏結(jié)性，以減小接觸熱阻；③增加器件如散熱器等的表面平整度，以減少界面厚度來(lái)減小傳熱距離；④減少熱管理封裝中界面的數(shù)量。
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來(lái)源：粉體圈
