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來源：Digi-Key 作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術支持工程師 在熱管理領域，人們對風扇、散熱器和珀爾帖裝置給予了很大的關注，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提供最佳性能方面是最重要的。TIM 的用處是用一種導熱率比空氣更好的物質占據兩個不均勻的表面之間細小的微觀空隙。TIM 可以由各種能夠提高導熱率的材料組成，能夠確保實現從像功率晶體管之類發熱元件到散熱器、熱電冷卻器或這兩者的有效熱傳遞。本文旨在明確導熱率和熱阻概念，同時為設計工程師提供有關不同類型 TIM 的高層次入門知識。 
圖 1：TIM 填充兩個非均勻表面之間氣隙的基本表現。（圖片來源：CUI Devices） 導熱率概述 為了完全掌握填充這些微觀空隙增強傳熱的原理，清楚了解導熱率至關重要。導熱率衡量的是材料傳輸熱量的能力，與具體部件的尺寸無關。該參數一般以功率除以面積乘以溫度為單位進行量化，如 W/m℃ 或 W/m*K。應該注意的是，由于在開爾文尺度上一個單位相當于一攝氏度，因此在進行計算時，只與溫度的相對變化相關，而不是與絕對值相關。 在處理散熱時，導熱率越高總是越好的。低導熱率的材料表現出較低的熱傳遞率，而高導熱率的材料則傳熱更快。從參考角度來說，空氣的導熱率僅為 0.0263 W/m*K，比熱界面材料的導熱率大約低兩個數量級。當元件和散熱器之間存在空氣間隙時，散熱將受到阻礙。通過使用 TIM 填充這些空隙，就可以實現更有效的熱傳導，因為 TIM 的導熱率明顯高于空氣。 熱阻概述 另一個因素是熱阻，它與具體組件的形狀高度相關，并以溫度除以功率為單位，即每瓦特攝氏度。雖然在 CUI Devices 的《熱管理概述》和《如何選擇散熱器》博客中詳細介紹了熱阻問題，但這里我們再快速回顧一下。熱阻，以 C/W 為單位，確定了每耗散一瓦功率時結點的溫度會升高多少攝氏度。例如，如果一個耗散 4 瓦功率的結的熱阻為 10 C/W，那么其溫度將在環境溫度基礎上增加 40 攝氏度。通常情況下，熱阻值是針對特定的介質和面積的，如 TO-220 封裝與空氣之間沒有散熱器。 當幾個器件集成在一起時，就會產生一個新的熱阻值。然而，這個熱阻值是假設兩個表面之間存在完美的連接，而現實并不總是如此。在這種情況下，采用熱界面材料可以創造盡可能接近理想的條件。雖然這確實改善了傳熱，但也增加了復雜程度，因為 TIM 的熱阻必須計算在內。看起來很諷刺的是，熱界面材料在減少兩個物體之間熱阻的同時，它也擁有自己的熱阻。這個值并非不重要，但它在兩個物體之間減少的熱阻仍然大大超過它增加的熱阻。根據所采用的 TIM 的類型，這種熱阻可能已經提供，或者需要根據 TIM 的厚度和施用的表面積來計算。
圖2 ：應用中可能考慮的典型熱阻路徑示例。（圖片來源：CUI Devices） 常見熱界面材料類型 熱界面材料可能采取凝膠、油脂、膏狀物和墊子形式，為解決熱管理挑戰提供了多樣化的解決方案。其中，包括凝膠和油脂在內的熱界面膏劑，以其高導熱率、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雜，特別是在不平整的表面上，而且可能并不總是產生一致的結果。過度涂覆會導致整體效果下降，而涂覆不足則會影響熱界面的性能。此外，金屬基膏劑具有優異的導熱率，如果濺到印刷電路板上，可能會造成電氣危險。陶瓷或碳基膏劑可能是一個更安全的選擇，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 的導熱墊具有天然的粘性和電隔離特性，并提供不同的導熱率等級，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 的導熱墊是根據其珀爾帖元件的外形預先切割的，與購買大張的導熱墊材料并將其切割成一定尺寸相比，這樣可以節省時間，并在組裝時提供更多便利。導熱墊還提供了更高的一致性，更少的臟亂，并且比導熱膏更可重復使用。 但是，在用戶面臨不同設備和尺寸的情況下，由于其通用性，導熱膏仍然是首選。導熱膏在業余愛好者中也很受歡迎，因為它價格便宜，而且很容易買到小管裝的，不需要精確的計量和裁切。這使得它成為小項目和一次性應用的方便選擇。以下是對不同 TIM 選擇的快速總結：
表 1：熱界面材料選擇匯總。（圖片來源：CUI Devices） 結語 有效進行熱管理是一個復雜的問題，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系統的關鍵組成部分的重要性，這很關鍵。無論是在原型階段，還是生產過渡階段，或者只是在 DIY 項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制，可以讓設計的熱性能獲得重大提升。 |
