热界面材料或 TIM 是在两个或多个固体配合表面之间传导热量的产品。例如，这些材料可以通过充当两个配合表面之间的间隙填充物来帮助涉及半导体器件和散热器的热管理。通过这样做，这些材料改善了两个表面之间的热传递，提高了热管理系统的效率。
本指南概述了热界面材料、可供选择的材料类型，以及在为您的独特应用选择合适的 TIM 时应考虑的重要因素。
为什么电子设备会变热？
电子设备由于称为电阻或简单电阻的物理现象而变热。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时与导体材料的原子粒子碰撞。这种碰撞导致流动的电子和导体的原子粒子之间的摩擦（电阻），产生过多的热量。
现代电子设备中热能产生率最高的设备包括发光二极管 （LED） 和计算机处理单元，例如 GPU、CPU 和 TPU。变压器、电阻器、转换器和逆变器等电压变化装置也释放出高热能。因此，保持这些设备冷却以确保最佳性能和可靠性至关重要。因此，通常采用热管理系统将设备温度保持在规定的范围内。
电子冷却技术可以是被动的，也可以是主动的。被动冷却方法利用自然传导、辐射和对流来冷却电子设备。另一方面，主动冷却方法需要外部能量来冷却电子设备或组件。显然，与主动冷却相比，主动冷却更有效，但成本更高。但是，使用热界面材料代替空气可以提高被动冷却的效率。
什么是热界面材料？
热界面材料或 TIM 是经济高效且节能的被动热管理解决方案，有助于保持电子设备或组件的推荐工作温度。此外，它们还有助于半导体器件和散热器之间的热传导。这两个配合组件的表面可能看起来很平坦。但是，仔细检查会发现一些断断续续或缺陷，例如毛孔或工具痕迹。这些微小的裂缝和划痕会阻止两个部件之间的实际物理接触。由此产生的间隙被低导热率空气填充，这导致接口表面之间的热阻更高。
使用 TIM 进行被动冷却的主要目的是用具有比空气更好的导热性的物质填充配合表面之间的间隙。典型的 TIM 导热大约是置换空气的 100 倍。
热界面材料的应用
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和工业电子系统，以确保高效散热并防止局部温度过载。TIM 应用的一些行业包括电信、服务器、游戏、汽车和航空航天。
热界面材料的类型
有几种热界面材料可用于满足不同的电子热管理要求。最常见的包括：
导热胶带
作为一种散热器连接方法，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。它们填充有压敏胶 （PSA），涂覆在聚酰亚胺薄膜、玻璃纤维、铝箔或垫子等支撑材料上。它们通常出现在“粘性”便条纸和绷带上。当对它们施加轻微压力时，PSA会通过接触粘附在表面上。除了热性能之外，它们的粘合性能推动了导热胶带的使用。然而，这些胶带的应用有限，通常不适用于带有凹面的球栅阵列（BGA）封装。
导热胶
尽管环氧树脂和有机硅配方等导热粘合剂被忽视了TIM选项，但它们可以通过提供卓越的机械粘合来减小系统的尺寸和重量。从根本上说，导热胶是一种高性能的紧凑型热界面材料封装，具有长期可靠性。
相变材料或相变材料
在55-65°C的相对较低的温度下，PCM可以从固态变为粘性液体。它们通常用作润滑脂型热界面材料的替代品。其独特的相变特性使得在室温下更容易地将材料作为固体进行处理和加工。在较高的工作温度下，它们可以保持流体的顺应性和润湿性能。在手动装配过程中，PCM 处理起来更整洁，通常没有干燥问题，并且可以在将来的装配过程中预先应用。
先进材料
先进材料由一种基于热解石墨的相对较新的热材料组成。它具有热各向异性的有趣特性（这种特性允许材料在不同方向上具有不同的特性）。由于其独特的品质，这些基于石墨的热界面材料可以在便携式消费设备的狭小范围内移动热量。它们还可用于需要高效热管理解决方案的其他设备或组件。
为您的应用选择合适的 TIM
TIM 改善了界面上的传热，但它们也占整个系统热阻的主要部分。在为您的应用选择合适的 TIM 时，您应该考虑以下一些特性。
导热系数/热阻
导热系数决定了TIM可以在界面上传递的热量，从而影响其热性能。具有较高导热性的材料将提供更好的传热速率，并且在比较不同材料时是一个重要的指标。
易于应用和安装
基于 TIM 的热管理系统的总体成本还取决于与应用和装配相关的成本。例如，使用润滑脂作为 TIM，您将需要额外的过程，例如夹紧、二次固化操作和机械连接。这些要求不仅增加了成本，还增加了装配时间。但是，如果热管理要求最低，则可以使用胶带代替油脂。
性能可靠性
TIM 应在电子设备的整个生命周期内始终如一且可靠地运行。电子设备的设计寿命长达十年，而航空电子设备和电信设备的使用寿命长达数十年。电子设备和组件的尺寸不断缩小，以及功率密度的增加，使热管理成为电子产品的主要关注点。它还确保了设备和组件的最佳性能和可靠性。
与散热器材料的兼容性
兼容性是一个容易被忽视的因素，因为它在大多数电子应用中都不是主要问题。但是，在许多用例中，它可能会带来重大问题。例如，暴露在硅蒸气中会损坏许多气体和湿度传感器，从而限制它们在同一组件中使用硅基TIM。因此，在实施之前验证 TIM 与任何热粘合剂或散热器材料的兼容性始终是一个好主意。
环境因素
在使用 TIM 之前，您必须考虑许多环境因素以及热变化。您可以检查填缝剂或 TIM 对环境条件（如盐雾、腐蚀性气体和高湿度）的抵抗力。由于TIM层通常非常薄并且放置在两个表面之间，因此不太可能完全暴露在这些不利的环境条件下。但是，对于间隙填充材料，它可能更容易受到具有挑战性的环境的影响。
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