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導(dǎo)熱膏/導(dǎo)熱灌封膠/導(dǎo)熱脂/導(dǎo)熱墊片/導(dǎo)熱凝膠/導(dǎo)熱膠帶有什么不一樣？

文章出處：產(chǎn)品百科 責(zé)任編輯：東莞東超新材料科技有限公司 發(fā)表時間：2023-02-03
　　

電子設(shè)備的性能在不斷提高，但它們消耗的功率和產(chǎn)生的熱量也更大。如果熱量不能有效散失，設(shè)備的性能就會受到影響。當電子元件與散熱器相互接觸時，其固-固接觸界面會存在空氣間隙，實際的接觸面積大約是宏觀接觸面積的10%，大量空隙由空氣填充?？諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體，常溫下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/(m·K)，空氣的存在阻礙了界面之間的傳熱，導(dǎo)致芯片與散熱器間的界面熱阻增大，大幅降低系統(tǒng)散熱效率，從而降低芯片使用壽命。散熱不良會使電子產(chǎn)品的系統(tǒng)可靠性下降，產(chǎn)品性能故障，一個簡單的案例就是當你的筆記本散熱不良就是卡頓甚至強制關(guān)機，路由器散熱不良會頻繁掉線斷你網(wǎng)。

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▲散熱器熱傳遞示意圖（來源：boydcorp.com）。上圖①沒有使用TIM，來自黑色表面的熱量只能在紅色高亮點傳導(dǎo)至灰色散熱器。橙色箭頭有助于視覺化來自整個黑色表面的熱量，但實際只有相當少的幾個紅色接觸點，氣袋以淺藍色表示。熱量當然也可以通過淺藍色氣袋傳導(dǎo)，但相比通過紅色接觸點的傳導(dǎo)水平，非常低效且量很??；上圖②中深藍色代表熱界面材料。大部分淺藍色氣袋已經(jīng)被消除，由更具傳導(dǎo)性的柔軟的熱界面材料代替。TIM可以填充兩個表面之間的空隙，從而增加有效接觸面積，配合熱界面材料自身的高導(dǎo)熱率，可以很好的解決材料接觸界面的熱傳導(dǎo)不順暢的問題。多數(shù)情況下，100%消除空氣幾乎不可能，因此，小凹陷和小孔中仍然會有小氣袋。但是，此時的熱性能相比未使用TIM的情況已有極大改善；這也適用于任何電設(shè)備。電設(shè)備通常密封在箱體內(nèi)，不通過熱界面材料將熱量傳導(dǎo)至金屬散熱器。

為保證發(fā)熱元件的正常工作，在發(fā)熱電子元件和散熱裝置之間填充能快速有效傳熱的材料，該材料稱為熱界面材料(ThermalInterfaceMaterials，TIMs)。熱界面材料的使用從本質(zhì)上改變了粗糙表面固體之間的熱路徑，從通過點接觸和空氣傳導(dǎo)變?yōu)橥耆ㄟ^固體傳導(dǎo)。熱界面材料被認為是任何高效熱管理系統(tǒng)的重要組成部分，這些材料廣泛用于消費和工業(yè)電子系統(tǒng)，以確保高效散熱并防止局部溫度過載。對于任何熱管理解決方案來說，熱界面材料（TIM）都是不可忽視的關(guān)鍵組成部分。

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▲根據(jù)TIM在先進封裝中的應(yīng)用根據(jù)所處位置，分為TIM1和TIM2，TIM1又稱一級TIM，是芯片與封裝外殼之間的熱界面材料，與發(fā)熱量極大的芯片直接接觸，要求TIM1材料具有低熱阻和高熱導(dǎo)率，CTE與硅片匹配。TIM2又稱二級TIM，是封裝外殼與熱沉之間的TIM。TIM2相對TIM1要求低。TIM1需要具備電絕緣性能，以防止電子元器件短路，一般多為聚合物基復(fù)合材料；TIM2沒有電絕緣性能要求，一般多為碳基TIM。

未填充導(dǎo)熱填料的聚合物（樹脂材料：硅膠、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、丙烯酸）導(dǎo)熱系數(shù)約為0.1W/(m·K)，簡單地用油脂代替空氣依然可以將熱阻降低五倍左右[空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/(m·K)]。目前幾乎所有的熱界面材料都填充有導(dǎo)熱的填料顆粒，導(dǎo)熱填料的加入提高了聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)，同時保留了聚合物良好的柔韌性、低成本以及易于加工成型的優(yōu)點，通過填料的添加可以將聚合物（樹脂材料）熱導(dǎo)率提高到7W/(m·K)范圍。常見的導(dǎo)熱包含金屬類填料（尤其是銀）及無機顆粒填料：氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氮化鋁、氮化硼和金剛石粉末等。

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▲信越化學(xué)“TC-BGI系列”電動汽車零部件用散熱硅橡膠片熱界面材料，具有7W/（m·K）的高導(dǎo)熱率，0.3mm厚的片材可以保證5kV的耐壓。根據(jù)信越化學(xué)官網(wǎng)描述，TC散熱硅橡膠片含有高比例的導(dǎo)熱填料，使用了高熱導(dǎo)率的氮化硼化合物作為填料，并應(yīng)用了玻璃布增強而具有優(yōu)異的撕裂強度。



一、常見熱界面材料產(chǎn)品

根據(jù)實際應(yīng)用設(shè)計及生產(chǎn)工藝的需求，熱界面材料會以不同的產(chǎn)品形態(tài)出現(xiàn)，不同的熱界面材料有什么樣的特點呢？

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▼導(dǎo)熱介質(zhì)性能指標表





1、導(dǎo)熱膏/導(dǎo)熱脂

呈液態(tài)或膏狀，具有一定流動性，在一定壓強下（100~400Pa）下可以在兩個固體表面間形成一層很薄的膜，能極大地降低異質(zhì)表面間的熱阻。主要以硅酮或者烴油等高分子材料作為基體，以各類導(dǎo)熱材料為填料：AlN或ZnO，也可以選BN，Al2O3，SiC或銀，石墨，鋁粉及金剛石粉末。導(dǎo)熱膏工藝操作簡單施工方式通常是網(wǎng)印或直接涂抹，不需要固化，成本較低。市場份額最大，導(dǎo)熱率高；使用過程需要很小的扣合壓力；與基材潤濕性好，有利于空氣排出，達到提高整體導(dǎo)熱性目換。大多數(shù)導(dǎo)熱膏都是硅基的（導(dǎo)熱硅脂），市場上有針對對硅敏感的應(yīng)用的無硅潤滑脂。對于禁止使用硅脂的敏感應(yīng)用，例如光學(xué)部件和汽車照明中，可選擇使用無硅系列產(chǎn)品。

缺點在于：具有流動性，容易溢出污染-Pump-Out，且不易清潔，對使用者親和力差；多次循環(huán)后基體材料容易出現(xiàn)分離，出現(xiàn)溢油現(xiàn)象，易隨時間干涸。

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2、導(dǎo)熱墊片

導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱硅膠墊、電絕緣導(dǎo)熱片或軟性散熱墊等，通常以硅橡膠為高分子聚合物基體，添加高導(dǎo)熱性填料合成的片狀熱界面材料。主要應(yīng)用于填充發(fā)熱元器件和散熱片或金屬底座之間的空隙，完成兩者之間的熱傳遞，同時起減震、絕緣、密封作用。

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▲導(dǎo)熱墊片單側(cè)或兩側(cè)具有天然粘性

基體以有機硅聚合物為主，高溫下介電性能比較穩(wěn)定、耐氧化、絕緣性好、耐水阻燃，同時具有易加工特點。填料多為氮化物AlN，BN，或金屬氧化物ZnO，Al2O3，填充量及配比會影響導(dǎo)熱墊片的熱導(dǎo)率。如對絕緣性要求不高，可多添加高導(dǎo)熱性、非緣緣性填料，可獲得更高的熱導(dǎo)率。

導(dǎo)熱墊片通常用于一些不方便涂敷導(dǎo)熱膏的地方。例如，主板版本的電源部分，主板的電源部分的電流部分相對較大，但是mos管部分不是扁平的，并且涂敷導(dǎo)熱膏是不方便的。因此，可以附著導(dǎo)熱墊片。另外，在顯卡的散熱器下，多個部件需要與顯卡的不同部分接觸，導(dǎo)熱膏使用起來也不方便，可以用導(dǎo)熱墊片代替。具有相同導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱膏比導(dǎo)熱墊片更好，因為導(dǎo)熱膏的熱阻很小。因此，為了獲得相同的導(dǎo)熱率，導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱率必須高于導(dǎo)熱膏的導(dǎo)熱率。


3、導(dǎo)熱凝膠

導(dǎo)熱凝膠是一種常用導(dǎo)熱界面材料，兼具導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱膏的優(yōu)點：導(dǎo)熱凝膠使用時為膏狀形態(tài)，流動性好，能在較小的安裝壓力（小于20psi）下填補不平整的兩固體表面之間的間隙；可在裝配后逐漸硫化，所以裝配厚度可做到很低（比導(dǎo)熱墊片壓縮更低的厚度），熱阻相對較低，還可以設(shè)計成具備較高的觸變性，以使其在壓縮時無明顯流淌，保持一定形狀，其與導(dǎo)熱膏相比還能填充更大的縫隙，硫化后狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出油和變干的風(fēng)險。據(jù)說好的導(dǎo)熱凝膠使用壽命可長達10年，而導(dǎo)熱脂一年就報廢需要重新涂是常態(tài)。

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▲漢高10.0W/(m.K)超高導(dǎo)熱凝膠
BERGQUISTLIQUIFORMTLF10000



4、導(dǎo)熱相變材料

相變材料具有能量緩沖效果，通過相變過程中熱量吸收或釋放，額外增加熱耗散路徑，有利于余熱的傳播和擴散，防止溫度急劇上升，元器件工作溫度得到緩解，從而延長使用壽命。通常，相變材料是無硅石蠟的蠟材料，但也可以以丙烯酸為基礎(chǔ)。

相變材料及其載體材料的總熱導(dǎo)率取決于載體材料的熱導(dǎo)率。根據(jù)載體材料不同，相變材料分為以下兩大類：

1）有機相變材料，或高分子相變材料。熔融溫度在50~80℃，熱塑性樹脂，如石蠟、酯類、醇類有機物，具有性能穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點。高分子聚合物基體，導(dǎo)熱性不佳，需要添加高導(dǎo)熱材料。浸潤性不如導(dǎo)熱膏，多次循環(huán)后不能有效填充界面空隙。

2）無機相變材料，主要包含合金和熔融鹽，金屬本身（如Al）具有高導(dǎo)熱性，不需要導(dǎo)熱材料的加入，但容易被氧化與腐蝕，填充界面空隙能力較差。


5、導(dǎo)熱膠帶

導(dǎo)熱膠帶在元件和散熱器之間建立牢固的結(jié)合而無需額外的緊固件，可以以減少對螺釘和夾子的需求。導(dǎo)熱膠帶用作散熱元器件的貼合材料，具有高導(dǎo)熱性、絕緣、固定功能，兼有柔軟、服帖、強黏等特性。導(dǎo)熱膠帶與普通膠帶或雙面膠帶大致相同，是在聚酰亞胺膜、金屬箔帶等支撐材料單面或雙面涂覆導(dǎo)熱膠的膠帶。相比其它液態(tài)導(dǎo)電膏，簡化了工藝，能適應(yīng)接觸面的不規(guī)則形狀，不會溢出污染元器件，穩(wěn)固性好，不會輕易移動。

導(dǎo)熱膠帶中填充導(dǎo)熱顆粒有限，熱導(dǎo)率相對較低，通常為1~2W/(m·K)，僅應(yīng)用于黏接，更加適用于小功率元器件。


6、導(dǎo)熱灌封膠

灌封指按照要求把構(gòu)成電子元器件的各個組分合理組裝、鍵合、與環(huán)境隔離和保護等封裝操作，可起到防塵、防潮、防震的作用，可延長電子元器件的使用壽命。

導(dǎo)熱灌封膠多為雙組分膠，可固化。嚴格意義上講，灌封膠不屬于界面材料，因為它會充滿整個模塊的空間。灌封膠在未固化前屬于液體狀，具有流動性，膠液黏度根據(jù)產(chǎn)品的材質(zhì)、性能、生產(chǎn)工藝的不同而有所區(qū)別。灌封膠完全固化后才能實現(xiàn)它的使用價值。
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導(dǎo)熱灌封膠是在普通灌封膠基礎(chǔ)上添加導(dǎo)熱填料形成的，如SiO2、Al2O3、AlN、BN等，不同的導(dǎo)熱填料可得到不同的熱導(dǎo)率，普通的可達0.6~2.0W/(m·K)，高熱導(dǎo)率可達到4.0W/(m·K)。

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參考資料：

1、優(yōu)化熱管理性能：電動車輛和電子產(chǎn)品熱管理，LORDCorporation

2、www.boydcorp.com


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