热界面材料选择的20个注意事项
Gary Fenical and Richard Elrick
Laird Technologies（莱尔德）
前言：
热量经常被认为成电子系统前进发展的限制性因素。低热阻将领航今后的电子设计，这些方案物有所值，将会迅速发展。虽然热界面通常事后设计，但是它对装置运行的性能及可靠性有巨大影响。界面材料TIM在热扩散中的应用可以为工程师们提供一个有效的办法来适宜封装大小的变化。较使用风扇来说，TIM可以减小散热片的尺寸。导热材料在大小空间均可使用，此外，它们还可以起绝缘的作用。
注意事项：
1． 首先，热接触面的成分要确定。它是半导体，IGBT（绝缘栅双极晶体管），MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），散热片，冷却极板或者其他的。板面上的实际成分可能会限制TIM的类型，如果是一个CPU或者GPU，将使用高性能的产品，如果你试图改变成分的不同高度，可以使用间隙填充剂。如果你有绝缘的需要，可以选用绝缘体。以下是各种热界面材料：
相变材料（PCM）：该材料柔软或者在50-100度间融化，可填充两表面的空隙，减小其间的热阻；
间隙填充剂：产品可填充表面见0.254-0.508mm（0.01-0.02英寸）的间隙，使用该填充剂可减小热传导材料的热阻；
Putty：极软的间隙填充剂，可以压缩到原始尺寸的50%；
导热膏：可减小接合面的热阻，该物质可在两表面间产生很小的联结厚度；
绝缘体：降低热阻的绝缘材料；
高性能材料：热阻在0.1℃-in²/w（0.65℃-cm²/w）以下的相变材料或者导热膏
2． 测定要扩散的热量大小十分重要（一般以w为单位）。如果你试图散发大热量，就该选用性能好的导热膏或者填充剂，在封装过程中，低热阻产品可以带走更过的热量。
3． 弄清楚热接触点的锁合方式：普通的有螺栓，弹力夹箍，碟形垫圈等等，如果是螺栓性的，可使用间隙填充剂或者绝缘体类的，如果是固定间隙，那么应注意间隙的最大和最小尺寸，封装设计决定了这个变化。弹力夹箍，碟形垫圈（乃至有压力的情况下）型应选高性能材料；
4． 界面尺寸和面积：大面积产品首选填充剂型的，空隙和表面的不平整均可被填充，小面积产品没有这个限制，故可采用高性能型。分界点是25.4mm*25.4mm，当然也有例外。一般来讲，大尺寸产品（如76.2mm*101.6mm，即3in*4in），填充剂型可以很好的填充整个表面，与产品表面的平整度和是否刨光关系不大。如果你使用0.508mm（20mil）的填充剂，它可以局部是20mil，局部是15mil，5mil或者更厚点的填充剂，可以在1-3mil间使用，但是在4-5mil间使用很困难，因为PCM很难保持5mil的状态，他会流动或者溢出，将会影响表面的清洁度。这点上大面积的要比小面积（变化细微）的受影响大些。
5． 为了更有效的散热，界面的温度范围要确定，间隙填充剂的使用范围是-40到200度之间，高性能材料大多数的使用温度是-25到125度，所以二者的使用参数应保持一致。
6． 热表面的锁合压力是决定选用哪种材料的一个因素。如果锁合压力在0.14到0.34MPa（20-50PSI），可选用间隙填充剂。如果压力大于0.34MPa（50PSI），高性能材料则更合适一些，当然也有例外。如果压力太高，而采用硅树脂基间隙填充剂的话，累积的热量会使硅树脂流出，留在板上的成分随之改变。如果很小的压力采用高性能材料的话，界面热阻就不能最优化。如果设计基于X等级的热阻，而实际热阻是Y级，那么热量将不能如预期的散发，热问题和热失败也就难免了。
7． 决定于附属成分的条件（如BGA）的热接合点的压力限制和焊接限制是否可以预防疲劳问题呢？PCB板的饶度压力也应该考虑到。如果板安装在BGA或者另外的精密成分将会使刚性板发生扭曲变形，这种情况下，一些软材料更合适一些，它们不象其它材料一样要在板上施加很大的压力，很低的压力（小于0.07mpa，即小于10psi）。putty和软的间隙填充剂适合BGA，因为它们不需要高压且球状结构优于传统间隙填充物质。
8． 材料的类型，表面处理，热接合点的表面平整度也是重要因素。好的刨光表面或者机械表面（如军用，航空设备）使用高性能材料或者空隙填充剂都没问题。如果是铸造品或者挤出成型的则该使用间隙填充剂，因为它们可以有效的填充间隙，处理表面不平。
9． 确定界面材料是否需要绝缘。现在有导电热材料，如石墨填充的；间隙填充物是绝缘的；相变类及导热膏则不能完全确定，如果很厚的话，它们之间没有空穴，为绝缘型，如果产生空穴且存在金属离子，则导电。
10.界面材料是否可循环使用？虽然推荐更换使用过的界面材料，但是某些情况下间隙填充剂可再次利用。高性能材料则必须更换，PCM类的最好在它们还热的时候更换，室温下处理要困难点。
11．考虑界面是水平或者垂直方向。间隙填充剂用在垂直方向要好一点，高性能的也可以，具体情况咨询厂家。
12．震动因素：间隙填充剂吸收震动要优于高性能材料。
13．如果是在真空条件下，产品可变硬满足NASA抽气条件。
14．如果你必须撤出硅树脂，如belcore，仍有可满足belcore标准的硅树脂基产品。
15．很多情况下有UL阻燃要求，很多TIM材料是HB和V0级，绝缘型和大多数高性能材料是94v0级。当然也有许多的可能性，建议联系权威专家。
16．模具切割可以降低材料成本。如方角代替圆角可以共享钢模rail，这样可以节约圆角产品的角和凹槽材料。
17．如果热衬垫需要粘性压力敏感材料或者安装时候需要粘性材料，那么有些材料本身就有粘性。说明：粘性不代表永久黏接，仍然需要一些锁合装置。 粘性仅仅是安装过程中的黏接，要避免误用，注意粘性和导热并不成正比，热性能决定于材料的厚度。
18．如果在拆卸时热衬垫需要留在一个表面上，某些处理过的材料可以做到这点。
19．如果某些情况下，安装过程中热衬垫需要“滑动”，也有一些表面光滑的材料是理想的选择。也可提供支持滑动和插入的载体。石墨材料由于本身特性也是优秀的滑动材料。
20．有些最终要求决定于特殊封装要求，如kiss-cut，rolls或者special liners，使用TIM产品可以支持这些封装和外形，如果是某些产品考虑价格节约成本，可以使用性能差点的产品；如果某些产品空间很小，成本要求不严格，高性能材料可以使封装最佳化。
结论：
本文集中了热界面材料选择的20个重要的因素，当然也还有其他因素要考虑。产品的老化，压缩性，热循环等因素可以由供应商提供。
Gary Fenical
EMC Technical Sales Representative
NARTE Certified EMC & ESD Engineer
Laird Technologies
Delaware Water Gap, PA 18327
Tel: (570) 424-8510 ext. 1177
Rick Elrick
Territory Sales Manager
Laird Technologies, Inc.
Tel: 216-233-0171
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