【选型】选择导热界面材料需要关注哪些指标？

由于电子产品中的电子元器件、电子电路存在电阻，在系统工作过程中就无法避免会产生发热问题。电子系统中主要的发热热源有：电源、主控制器（CPU，GPU，MPU）、功率驱动（MOSFET，IGBT等）。热量不仅会导致电力能源的浪费，同时也会对电子元器件的性能和寿命造成重大的影响。

既然发热问题不可避免，仅可能通过相应的系统设计和控制方法降低发热热量，那么只能将发出来的热量迅速的发散出来，从而降低因发热而导致器件性能降低和寿命缩短问题。热量的散发方式主要用热传导、热辐射和热对流三种，如图1所示。这三种散热方式可以根据电子系统发热的多少，设计单一一种或几种散热方式同时出现。这就是电子系统设计中的热管理技术。

图1：电子系统中的散热方式

在热管理设计中往往需要考虑发热器件与散热器之间的热传导问题。合理选择热传递介质，不仅要考虑其热传递能力，还要兼顾生产中的工艺、安装操作过程的便利性、可维护性、适合的性价比等各个方面。在热管理设计中，目前常用导热硅脂、导热变相材料、导热填充材料、导热导电界面材料和导热绝缘材料五种导热材料来做导热介质。现分别对这几类导热材料特性，以及如何根据应用的需要来选择做一下介绍。

1）导热硅脂
导热硅脂是一种高导热绝缘有机硅材料，可在-50度到+230度左右的温度范围内长期保持脂膏状态。既有优异的电绝缘性，又有优异的导热性能，也具有低油离度（趋向于零），同时还具有耐高低温、耐水、臭氧、耐气候老化等特性。广泛涂覆于各种电子产品表面，电器设备中的发热体（功率管、可控硅、电热堆等）与散热设施（散热片、散热条、壳体等）之间的接触面，起热传递作用。

在选择导热硅脂时，主要需要关注如下表1的红色框中的几项指标。

表1：导热硅脂主要指标

一是组成中是否含有硅油。硅油具有优良的热氧化稳定性和电绝缘性，但硅油也存在气体溶解度较大（有一定的挥发性），热膨胀系数较大和一定的吸湿性。并且硅油的不同种类对导热硅脂的润湿性及热阻有较大的影响，在某些场合需要不含硅油的导热硅脂。

二是导热系数（Thernal Conductivity）。导热系数是指在稳定传热条件下，1米厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1秒钟内（1S），通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米•度（W/(m•K)，此处为K可用℃代替）。该数值越大说明导热性能越好。

三是热阻系数（Thernal Resistance）。当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻。当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，因此需要在一定在压力下，使导热硅脂和芯片之间的缝隙尽可能小。这个参数一般是越小越好。

四是粘度(Viscosity)。用于表征导热硅脂流动性及粘稠度的一个性能指标，这个指标受温度影响比较大。

五是工作温度范围（Temperature range）。由于硅脂本身的特性，其工作温度范围是很广的。工作温度是确保导热硅脂处于固态或液态的一个重要参数，温度过高，导热硅脂流体体积膨胀，分子间距离拉远，相互作用减弱，粘度下降；温度过低，流体体积缩小，分子间距离缩短，相互作用加强，粘度上升，这两种情况都不利于散热。

除此之外，还需要考虑体积电阻率系数，这是绝缘性能考量的一个指标，有的还需要要求通过RoHS环保认证、保证无毒安全。最后还有需要根据用量来考虑，是需要桶装、罐装还是注射器包装的。

2）导热相变材料
导热相变材料（Thermal Phase Change Material）是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。以LAIRD 的T-PCM系列导热相变材料为例，在选择导热相变材料时，主要关注表2所示的红色框中的指标。

表2：Tputty 580 参数表

一是厚度（Thickness）。厚度是导热相变材料在常温条件下（固态）的尺寸指标。在发生相变（软化）之后，因其会将相变材料和发热体表面的空隙进行填充，其厚度会有一定的变化。这需要根据实际的应用情况考虑使用不同厚度的型号。

二是相变软化点（Phase Charge Softening Point）。这是导热相变材料由固态变为粘稠状软化态时的转折温度。

三是热阻系数。该参数受导热相变材料受到的压力有关，压力越大，相变材料和发热体表面接触越紧密，热阻越小。

其他指标还包括导热系数、工作温度范围、介电常数、体积电阻系数，以及需要考量是带胶或不带胶，是否需要可重用等。

3）导热填充材料
导热填充材料是一种有较厚（厚度从0.25mm到5.08mm，以0.25mm递增）的导热衬垫，专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产，能够填充缝隙，完成发热部位与散热部位的热传递，同时还能起到减震、绝缘、密封等作用，能够满足设备小型化、超薄化的设计要求。以Laird 的TFlex 600系列导热填充材料为例，在选择导热填充材料时，除了关注厚度、导热系数、热阻系数、体积电阻率、介电常数、工作温度范围、耐压等参数外，还需要关注包括硬度及抗拉强度等参数，如表3所示：

表3：参数表TFlex 600系列导热填充材料

硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。

抗拉强度（Tensile Strength）一般是指塑料或金属等由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是塑料或金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性材料，它表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；对于没有（或很小）均匀塑性变形的脆性材料，它则反映了材料的断裂抗力。

4）导热导电界面材料
导热导电界面材料是一种导热、同时其具有低电阻特性的导热材料。应用于没有电气绝缘要求的场合。在选择导热导电界面材料时，除了关注导热填充材料相应的参数外，X，Y，Z轴导热系数是比较重要的一项指标，以下表4Laird的Tgon 800系列导热导电界面材料为例。

表4：Laird的Tgon 800 系列导热导电界面材料参数表

Tgon 800系列是一个高性能、低成本的热界面材料，其X、Y轴向的导热系数达到了240W/mK。其独特的晶粒取向，片状结构允许它完全贴合发热体表面，从而最大限度地提高热传递。Tgon 800 可在12″ x 18″提供305mmx457mm或457mm x 914mm （18″×24″）整张（卷）或切成特定的尺寸。Tgon 800提供专有的压敏胶的一面，是最薄的涂层，从而最大限度地减少任何对热性能的影响。Tgon 800适用于不需要电气绝缘的场合。

5）导热绝缘材料
导热绝缘材料具有导热、绝缘、耐高压等特性，Laird的T-gard 3000和5000系列是基于薄膜的热传导电气绝缘材料，由聚酰亚胺薄膜、陶瓷粉填充料及耐高温硅橡胶组成。也有由绝缘垫、玻璃纤维增强材料及硅/氮化硼复合材料构成的Tgard 200系列，具有很好的抗机械应力和优良的电气隔离可靠性。表5中红色框中的是在选择导热绝缘材料时，需要关注的主要参数指标（以Tgard 20,T-gard k52为例）。

表5：Tgard 20,Tgard k52重要指标

总结

发热是所有电子产品都会产生的，而如何解决发热问题，使其不对产品的可靠性和使用寿命造成负面影响，是作为系统设计者的电子工程师们不得不面对的问题。而这又是属于电子、机械结构的交叉学科，确实令人头疼。世强代理的Laird的热管理产品线，包括了导热硅脂、导热相变材料、导热填充材料、导热导电界面材料以及导热绝缘材料等丰富的产品，可以很好的解决工程师们所面临的电子产品发热发烧问题！