熱界面材料或 TIM 是在兩個或多個固體配合表面之間傳導熱量的產品。例如，這些材料可以通過充當兩個配合表面之間的間隙填充物來幫助涉及半導體器件和散熱器的熱管理。通過這樣做，這些材料改善了兩個表面之間的熱傳遞，提高了熱管理系統的效率。
本指南概述了熱界面材料、可供選擇的材料類型，以及在為您的獨特應用選擇合適的 TIM 時應考慮的重要因素。
為什么電子設備會變熱？
電子設備由于稱為電阻或簡單電阻的物理現象而變熱。當電壓施加到導體上時，自由電子開始移動。這些自由電子在流動時與導體材料的原子粒子碰撞。這種碰撞導致流動的電子和導體的原子粒子之間的摩擦（電阻），產生過多的熱量。
現代電子設備中熱能產生率最高的設備包括發光二極管 （LED） 和計算機處理單元，例如 GPU、CPU 和 TPU。變壓器、電阻器、轉換器和逆變器等電壓變化裝置也釋放出高熱能。因此，保持這些設備冷卻以確保最佳性能和可靠性至關重要。因此，通常采用熱管理系統將設備溫度保持在規定的范圍內。
電子冷卻技術可以是被動的，也可以是主動的。被動冷卻方法利用自然傳導、輻射和對流來冷卻電子設備。另一方面，主動冷卻方法需要外部能量來冷卻電子設備或組件。顯然，與主動冷卻相比，主動冷卻更有效，但成本更高。但是，使用熱界面材料代替空氣可以提高被動冷卻的效率。
什么是熱界面材料？
熱界面材料或 TIM 是經濟高效且節能的被動熱管理解決方案，有助于保持電子設備或組件的推薦工作溫度。此外，它們還有助于半導體器件和散熱器之間的熱傳導。這兩個配合組件的表面可能看起來很平坦。但是，仔細檢查會發現一些斷斷續續或缺陷，例如毛孔或工具痕跡。這些微小的裂縫和劃痕會阻止兩個部件之間的實際物理接觸。由此產生的間隙被低導熱率空氣填充，這導致接口表面之間的熱阻更高。
使用 TIM 進行被動冷卻的主要目的是用具有比空氣更好的導熱性的物質填充配合表面之間的間隙。典型的 TIM 導熱大約是置換空氣的 100 倍。
熱界面材料的應用
熱界面材料被認為是任何高效熱管理系統的重要組成部分。這些材料廣泛用于消費和工業電子系統，以確保高效散熱并防止局部溫度過載。TIM 應用的一些行業包括電信、服務器、游戲、汽車和航空航天。
熱界面材料的類型
有幾種熱界面材料可用于滿足不同的電子熱管理要求。最常見的包括：
導熱膠帶
作為一種散熱器連接方法，導熱膠帶消除了對外部夾具的需求，從而降低了整體硬件要求。它們填充有壓敏膠 （PSA），涂覆在聚酰亞胺薄膜、玻璃纖維、鋁箔或墊子等支撐材料上。它們通常出現在“粘性”便條紙和繃帶上。當對它們施加輕微壓力時，PSA會通過接觸粘附在表面上。除了熱性能之外，它們的粘合性能推動了導熱膠帶的使用。然而，這些膠帶的應用有限，通常不適用于帶有凹面的球柵陣列（BGA）封裝。
導熱膠
盡管環氧樹脂和有機硅配方等導熱粘合劑被忽視了TIM選項，但它們可以通過提供卓越的機械粘合來減小系統的尺寸和重量。從根本上說，導熱膠是一種高性能的緊湊型熱界面材料封裝，具有長期可靠性。
相變材料或相變材料
在55-65°C的相對較低的溫度下，PCM可以從固態變為粘性液體。它們通常用作潤滑脂型熱界面材料的替代品。其獨特的相變特性使得在室溫下更容易地將材料作為固體進行處理和加工。在較高的工作溫度下，它們可以保持流體的順應性和潤濕性能。在手動裝配過程中，PCM 處理起來更整潔，通常沒有干燥問題，并且可以在將來的裝配過程中預先應用。
先進材料
先進材料由一種基于熱解石墨的相對較新的熱材料組成。它具有熱各向異性的有趣特性（這種特性允許材料在不同方向上具有不同的特性）。由于其獨特的品質，這些基于石墨的熱界面材料可以在便攜式消費設備的狹小范圍內移動熱量。它們還可用于需要高效熱管理解決方案的其他設備或組件。
為您的應用選擇合適的 TIM
TIM 改善了界面上的傳熱，但它們也占整個系統熱阻的主要部分。在為您的應用選擇合適的 TIM 時，您應該考慮以下一些特性。
導熱系數/熱阻
導熱系數決定了TIM可以在界面上傳遞的熱量，從而影響其熱性能。具有較高導熱性的材料將提供更好的傳熱速率，并且在比較不同材料時是一個重要的指標。
易于應用和安裝
基于 TIM 的熱管理系統的總體成本還取決于與應用和裝配相關的成本。例如，使用潤滑脂作為 TIM，您將需要額外的過程，例如夾緊、二次固化操作和機械連接。這些要求不僅增加了成本，還增加了裝配時間。但是，如果熱管理要求最低，則可以使用膠帶代替油脂。
性能可靠性
TIM 應在電子設備的整個生命周期內始終如一且可靠地運行。電子設備的設計壽命長達十年，而航空電子設備和電信設備的使用壽命長達數十年。電子設備和組件的尺寸不斷縮小，以及功率密度的增加，使熱管理成為電子產品的主要關注點。它還確保了設備和組件的最佳性能和可靠性。
與散熱器材料的兼容性
兼容性是一個容易被忽視的因素，因為它在大多數電子應用中都不是主要問題。但是，在許多用例中，它可能會帶來重大問題。例如，暴露在硅蒸氣中會損壞許多氣體和濕度傳感器，從而限制它們在同一組件中使用硅基TIM。因此，在實施之前驗證 TIM 與任何熱粘合劑或散熱器材料的兼容性始終是一個好主意。
環境因素
在使用 TIM 之前，您必須考慮許多環境因素以及熱變化。您可以檢查填縫劑或 TIM 對環境條件（如鹽霧、腐蝕性氣體和高濕度）的抵抗力。由于TIM層通常非常薄并且放置在兩個表面之間，因此不太可能完全暴露在這些不利的環境條件下。但是，對于間隙填充材料，它可能更容易受到具有挑戰性的環境的影響。
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