在電子器件（如導(dǎo)熱材料或?qū)峁柚┥贤扛矊?dǎo)熱材料的目的是幫助發(fā)熱器件加快散熱。此舉旨在降低器件每單位電能耗散所產(chǎn)生的溫升。衡量每功耗所產(chǎn)生溫升的指標(biāo)稱為熱阻，而給器件涂抹導(dǎo)熱材料的目的正是為了降低元件的熱阻。

本文將簡要解釋熱阻的概念，并介紹導(dǎo)熱材料的特性如何影響熱阻。

導(dǎo)熱材料和熱阻

導(dǎo)熱材料一詞源自它在器件上發(fā)揮的作用，也被稱為導(dǎo)熱填充物。將導(dǎo)熱材料涂敷于器件表面，并在機(jī)械壓力作用下將散熱器安裝到器件上時，導(dǎo)熱材料會填充器件與散熱器接觸面之間的微觀間隙。換言之，界面處的空氣被具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料取代，從而能高效地將熱量傳導(dǎo)至散熱片。通過在器件與散熱器之間建立高效導(dǎo)熱路徑，可最大化兩者之間的熱通量。

由于空氣導(dǎo)熱性較差，通過在壓力下涂覆導(dǎo)熱材料，排出空氣，可顯著提升接觸界面的整體導(dǎo)熱性能。最終形成的導(dǎo)熱材料與空氣體積占比將決定界面的熱阻值。該值可用于預(yù)測導(dǎo)熱材料對器件熱阻的影響（見下文）。

熱阻預(yù)測

在實(shí)際器件中，熱阻的大小取決于多種因素，包括用于定義溫升的環(huán)境溫度。在元器件產(chǎn)品手冊中，封裝材料的熱導(dǎo)系數(shù)幾乎從不會出現(xiàn)在材料特性或封裝數(shù)據(jù)表中。通常取而代之的是標(biāo)注器件兩個特定區(qū)域或部分之間的實(shí)測熱阻值。

為了預(yù)測帶散熱器的器件熱阻變化，封裝到環(huán)境或裸片到環(huán)境的熱阻值扮演重要作用。裸片到封裝的熱阻可能非常低，這意味著熱量能輕易從裸片器件傳導(dǎo)至封裝外殼。但封裝到環(huán)境的熱阻值（尤其是環(huán)氧樹脂基封裝）可能會非常高。下表列出了不同器件封裝的典型熱阻值范圍：

可使用一個簡易模型，基于空氣與導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)來評估封裝熱阻的變化。首先，我們可以利用空氣和熱界面材料（TIM）的導(dǎo)熱系數(shù)來計算封裝至環(huán)境的熱阻：

分別計算空氣暴露部分和 TIM 暴露部分的封裝至環(huán)境熱阻。

接下來計算這兩個數(shù)值的差值，即可得知導(dǎo)熱材料（TIM 層）降低熱阻的程度：

分別計算空氣暴露部分和 TIM 暴露部分的封裝至環(huán)境熱阻。

運(yùn)用該公式的難點(diǎn)在于確定導(dǎo)熱材料與空氣的體積比，該比值可能介于 10:1 至 1000:1 之間，甚至更大。具體數(shù)值還會因?qū)岣囝愋投?/strong>；某些多孔導(dǎo)熱墊片的比值較低，而導(dǎo)熱膏能高效填充元件與散熱器接觸面的微觀間隙，其比值可能高出許多。

哪種導(dǎo)熱材料效果最佳？

通過上述一維模型分析可知，決定哪種導(dǎo)熱材料最能有效降低熱阻的關(guān)鍵因素有四個：

1

導(dǎo)熱材料的成分，決定了其導(dǎo)熱系數(shù)

2

組裝工藝過程，決定了空氣及填充材料比例

3

導(dǎo)熱材料涂覆區(qū)域的大小

4

導(dǎo)熱材料涂覆/完全固化后的厚度

由于系統(tǒng)中存在許多變量，很難對所有導(dǎo)熱材料的效果做出籠統(tǒng)的比較性論斷。導(dǎo)熱材料選擇通常不以熱阻變化為主要考量，而是基于其他工程特性，如是否可以重工、清潔度、組裝成本、脫氣性等。選定材料后需通過原型組裝驗(yàn)證，方可投入量產(chǎn)。

該流程本身并無問題，除非發(fā)現(xiàn)最初選用的導(dǎo)熱材料無法提供足夠的散熱效果。為此應(yīng)當(dāng)采用包含熱傳導(dǎo)與氣流分析在內(nèi)的綜合熱仿真方案，以確定關(guān)鍵元器件的目標(biāo)熱阻要降低到什么程度。通過這種方式，可以設(shè)定系統(tǒng)必須滿足的新標(biāo)準(zhǔn)，并將其作為性能目標(biāo)，而非僅關(guān)注成本或組裝工藝。對于高可靠性設(shè)計而言，這可能是一種更優(yōu)的策略。

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