导热界面材料（Thermal Interface Materials，简称 TIMs）是一种用于在两个或多个相互接触的固体表面之间传导热量的产品。

例如，这些材料可以作为两个接触表面之间的间隙填充物，帮助半导体器件和散热器之间的热管理。通过这种方式，这些材料改善了两个表面之间的热传递，并提高了热管理系统的效率，是一种经济高效且节能的被动热管理解决方案，有助于将电子设备或组件维持在推荐的工作温度。

电子设备为何会发热？

电子设备发热是由一种称为电阻（electrical resistance 或简称 resistance）的物理现象引起的。当电压施加到导体上时，自由电子开始移动。这些自由电子在流动过程中会与导体材料的原子粒子发生碰撞。这种碰撞导致流动的电子与导体的原子粒子之间产生摩擦（电阻），从而产生过量的热量。

现代电子设备中产生热能最高的器件包括发光二极管（LED）和计算机处理单元，如 GPU、CPU 和 TPU。电压转换器件，如变压器、电阻器、转换器和逆变器，也会释放高热能。因此，保持这些器件的冷却以确保最佳性能和可靠性至关重要。通常会采用热管理系统，将器件温度维持在规定的限值内。

电子设备冷却技术可分为被动式和主动式。被动冷却方法利用自然传导、辐射和对流来冷却电子设备。而主动冷却方法则需要外部能量来冷却电子设备或组件。

显然，与被动冷却相比，主动冷却更有效但成本更高。然而，使用导热界面材料代替空气，可以提高被动冷却的效率。

导热界面材料的应用

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类和工业电子系统，以确保高效散热并防止局部温度过载。应用 TIM 的行业包括电信、服务器、游戏、汽车和航空航天。

导热界面材料的类型

有多种导热界面材料可满足不同的电子设备热管理需求。最常见的有：

1.导热胶带 (Thermal Tapes)

作为散热器的一种固定方法，导热胶带消除了对外部夹具的需求，从而降低了整体硬件要求。它们填充有压敏粘合剂（PSA），涂覆在聚酰亚胺薄膜、玻璃纤维、铝箔或垫材等支撑材料上。它们常见于“便利贴”和绷带上。PSA 在施加轻微压力时，通过接触粘附在表面上。

推动导热胶带使用的因素更多是其粘合特性，而非其热性能。然而，这些胶带应用有限，通常不适用于具有凹形顶面的球栅阵列（BGA）封装。

2.导热脂 (Greases)

导热脂，也称为导热膏（thermal compounds），是最传统的一类 TIM，因为它们是填充微观气穴的最简便方法。由于其高粘度，导热脂通常被描述为凌乱且难以涂抹在表面上。在使用过程中可通过加热来降低其粘度。加热使导热脂能更好地润湿接触表面，降低界面热阻，并提高性能。导热脂粘度低，非常适合填充非常薄的界面区域。

3.导热凝胶 (Gels)

导热凝胶是最近开发的一种导热界面材料选项。凝胶的使用方式类似于导热脂，但它们被固化形成部分交联结构，以减少“泵出问题”（材料从界面被挤出）的发生几率。凝胶的热阻水平与导热脂相当。

4.导热粘合剂 (Thermal Adhesives)

尽管环氧树脂和有机硅配方的导热粘合剂常被忽视作为 TIM 选项，但它们能通过提供优异的机械粘合来减小系统的尺寸和重量。从根本上说，导热粘合剂是一种高性能、紧凑型导热界面材料方案，具有长期可靠性。

5.导热垫片 (Pads)

导热垫片因其高需求，提供了多种导热系数和介电性能选择。这些导热界面材料具有“良好”到“非常好”的导热性。这些垫片的厚度范围为 0.2到 10毫米（mm）。由于其具有一定硬度，它们既可用于较小的界面，也可用于非常坚固、较大的界面。

6.相变材料 (Phase Change Materials or PCMs)

在相对较低的温度范围（55-65°C）下，相变材料（PCMs）可以从固态转变为粘性液体。它们通常用作脂类导热界面材料的替代品。其独特的相变特性使得在室温下作为固体时更容易处理和加工。而在较高的工作温度下，它们又能保持液体的贴合性和润湿性能。在手动组装过程中，PCMs 处理起来更整洁，通常没有“干涸”问题，并且可以预先涂抹用于未来的组装过程。

7.先进材料 (Advanced Materials)

先进材料包含一种相对较新的基于热解石墨（pyrolytic graphite）的导热材料。它具有热各向异性（thermal anisotropic）的有趣特性（这种特性使材料在不同方向上呈现不同的性能）。由于其独特的品质，这些石墨基导热界面材料可以在便携式消费类设备的紧凑空间内传递热量。它们也可用于需要高效热管理解决方案的其他设备或组件。

TIM的选择

TIMs 改善了界面间的热传递，但它们也构成了整个系统热阻的主要部分。在为我们的应用选择合适的 TIM 时，以下是一些应考虑的特性：

1.导热系数/热阻 (Thermal Conductivity/Thermal Resistance)

导热系数决定了 TIM 在界面间可传递的热量，影响其热性能。导热系数更高的材料将提供更好的传热速率，是不同材料对比时的重要指标。

2.易于涂敷和安装 (Ease of Application and Installation)

基于 TIM 的热管理系统的总成本也将取决于涂敷和组装相关的成本。例如，使用导热脂作为 TIM，将需要额外的工序，如夹紧、二次固化操作和机械固定。这些要求不仅增加了成本，也延长了组装时间。然而，如果热管理要求不高，可以选择使用粘性导热胶带代替导热脂，从而受益。

3.性能可靠性 (Reliability in Performance)

TIM 应在电子设备的整个使用寿命期间持续可靠地工作。电子设备的设计寿命可达十年，而航空电子设备和电信设备则设计为使用数十年。电子设备和组件尺寸不断缩小，同时功率密度不断增加，使得热管理成为电子产品中的一个主要关注点。TIM 的性能可靠性也确保了设备和组件的最佳性能和可靠性。

4.与散热器材料的兼容性 (Compatibility with Heat Sink Material)

兼容性是一个容易被忽视的因素，因为在大多数电子应用中它不是一个主要问题。然而，在不少应用场景中，它可能带来重大问题。例如，暴露在有机硅蒸气中会损坏许多气体和湿度传感器，从而限制在同一组件中使用有机硅基 TIM。因此，在实施前验证 TIM 与任何导热粘合剂或散热器材料的兼容性总是明智之举。

5.环境因素 (Environmental Factors)

在使用 TIM 之前，除了温度变化外，您还必须考虑相当多的环境因素。您可以检查间隙填充物或 TIM 对盐雾、腐蚀性气体和高湿度等环境条件的耐受性。由于 TIM 层通常非常薄且位于两个表面之间，不太可能完全暴露于这些恶劣环境条件。但是，对于间隙填充材料来说，它可能更容易受到挑战性环境的影响。

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