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汇为热管理材料:导热界面填充材料的热阻特性知识

导热界面材料TIM,通常我们称为导热垫片,是为电子组件提供热传导途径的重要材料。
这种导热垫片通过润湿和置换热源和散热器件表面的空气间隙,与啮合面上微小的凹凸契合。TIM 在啮合面上的润湿和传热程度由界面热阻(也称为“接触热阻”)来量化。这种契合度与导热垫片的高导热性相结合,可使热量快速通过元件之间的物理间隙。量化这种整体传热数值就是热阻。对于导热系统设计人员来说,组件的热阻值非常重要,他们必须确保设备产生的热量能够得到适当的散发,从而防止设备过热。
应用中导热垫片TIM的热阻(Rth)取决于以下三个因素:TIM 导热系数(k)、应用中的导热垫片TIM厚度 (t) 以及两个界面阻抗(Rint1 和 Rint2),这两个阻抗由导热垫片TIM与其两个啮合面接触而产生。热阻的控制等式等式如下:
Rth= (t/ k) + (Rint1 + Rint2) 
(等式1)
一般来说,导热垫片TIM的导热系数是已知的。如果需要,也可以根据 ASTM D5470 得出的热阻与最终厚度关系图来确定该系数。导热垫片导热系数根据这条线的反斜率计算得出,单位为W/mK。
导热垫片的界面热阻总和随导热垫片TIM和接触面的性质变化而变化,因此不能作为材料属性提供。
然而,可以通过相同的热阻和最终厚度关系图上的y轴截距来确定待测系统的界面热阻。如果材料的厚度为0,则该点即为材料的热阻值,仅需要测量表面本身,从而将等式1简化为Rth= (Rint1 + Rint2)。 
应用中导热垫片TIM的最终厚度(t)是影响整体热阻的主要因素,特别是对于那些中低热导率材料。对于特定系统,热通道的材料热阻与热量传递的距离成正比。为了证明这一点,图1展示了在给定3种材料的导热系数k和界面电阻为0.97℃cm2/W 的情况下,最终厚度对总热阻的影响。这说明,为了高效通过接触界面传递热量,必须在应用中尽可能地减少导热界面材料TIM的厚度。如果垫片的导热系数Tc很低,这一点将尤其重要。
 

减少系统中导热垫片的厚度需要在其表面上施加压力,而这会导致发生形变运动。注意,导热垫通常不具有真正的可压缩性,要缩减z厚度,x,y维度上的体积肯定会等效增加。部分压力会传递到导热垫片下方的组件,在某些情况下,压力会上升到不可接受的水平,甚至对系统的脆弱电子部件如芯片造成物理损坏。此外,电子器件的不断小型化和电路板密度的提高推动了对TIM的需求,因为导热垫片具有高导热率,能够更有效地散热。在大多数情况下,需要通过更高的填充量来实现,但这样通常会导致垫片柔性降低,并在形变过程中产生较大的峰值压力。出于这些原因,了解如何减小装配过程中产生的峰值压力就非常有必要。