热界面基本概念

介绍

热界面概要

热界面是温度不同的两种物质之间的边界区域，是指热量从更热的物质传递到更冷的物质的部分。在电子设备中，热接口存在于微处理器、散热板和热接口材料等组件之间。夏季接口材料的选择和设计会对电子设备的热性能产生很大影响。

电子设备中热界面的重要性

有效管理电子设备产生的热量对于防止设备损坏、保持性能和延长寿命至关重要。如果热量管理不到位，可能会导致部件故障、设备性能下降和功耗增加。热接口材料对于改善组件之间的“热传递”，提高电子设备的热管理效率至关重要。

背景信息

热管理概述

热管理是指调节电子设备温度的过程，以确保最佳的性能、可靠性和安全性。热管理的目标是消除设备组件产生的热量，并将其有效地释放到环境中。如果不能有效地管理热量，设备寿命将缩短，性能将降低，甚至可能发生致命故障。

热管理技术大致可以分为被动和主动两种。被动方式是利用材料的自然导热性，将热量从设备传递到周围环境。例如，使用金属销钉扩大表面积、促进散热的“隔热板”和“相变材料”，它们在固态到液态的过程中吸收和释放热量。主动方式使用外部能源来改善热量传递。例如，通过散热板上或设备吹气来增加对流热传递的“风扇”和通过一系列管路循环冷却水来从设备中散热的“液体冷却系统”。

热管理是电子设备设计的重要方面，特别是对于CPU、GPU和电力电子设备等高功率密度设备更为重要。为了有效地进行热管理，您需要仔细考虑设备布局、材料选择和散热机制，并在热性能、设备尺寸和成本之间进行折中。

热传递机制

热传递机制是理解热管理原理的基础。热传递有三种主要模式：传导、对流和辐射。

• 传导:
  传导是指的是在没有物质本身运动的情况下，通过物质传递热量。热从更热的区域流向更冷的区域，热传递速度取决于区域内的温差、材料的热导率和热量移动的距离。金属导热率高，对导热有效，而隔热材料导热率低，不易传热。


• 对流:
  对流是通过流体（液体或气体）通过流体自身的运动传递热量。流体加热时会膨胀，密度降低，导致流体上升并产生流动。然后加热的流体将热量传递到更冷的表面并下降，从而形成热量传递循环。根据流体流动是由自然浮力驱动还是由外部源（如风扇或泵）驱动，对流可以是自然的或强制的。


• 辐射:
  辐射是通过电磁波（如红外线）传递热量。所有物体都发出辐射热，辐射量取决于温度和物质的辐射率。辐射热传递在电子设备的热管理中很重要，因为它也可能发生在真空状态或非接触表面之间。

每个热传递模式的效果取决于特定的设备和环境。大多数电子设备都有三种不同的热传递模式。

热界面材料的种类

有几种常用的三元界面材料（TIM），用于改善电子设备中零件和散热片之间的热传递。TIM的选择取决于应用程序、设备设计和操作条件等多种因素。常用的TIM类型包括：

• 导热胶(thermal grease):
  热润滑脂是在零件和散热板（heatsink）之间喷涂，填充缝隙和表面凹凸的柔软、有粘性的膏体。通常由硅或碳氢化合物制成，包括金属氧化物等导热填充剂（thermally conductive filler），价格相对低廉，易于应用，但随着时间的推移可能会干涸或滑落。凝固后，如果分离隔热板，则必须清除现有的表面润滑油并重新喷涂。由于喷涂薄，热量传递的距离很短，即使是导热率低的材料也可以期待一定程度的导热效果。


• 导热胶带(thermal tape):
  导热胶带是一种薄的粘合胶带，用于将隔热板粘贴到零件上。通常由具有导热性粘着层的柔性聚合物材料制成。在空间有限或需要移除隔热板的情况下，导热胶带易于安装，非常有用。


• 导热片(thermal pad):
  导热片是放置在热源（heat source）和散热板之间的柔软垫。通常由内置导热填充剂的硅或聚合物材料制成。导热片易于安装，可以提供比导热胶或磁带更可靠的界面，压缩起来可能需要更多的力量。


• 相变物质(PCM; phase change material):
  相变材料是从固态转变为液态，可以吸收和释放大量热量的物质。通常用于需要快速热反应的应用程序，如便携式电子设备。PCM导热率高，但寿命有限，有时难以应用。


• 金属基界面材料:
  金属基界面材料通常由金属合金制成，适用于表面凹凸，可提供高导热性。通常用于CPU和电力电子设备等高性能应用程序。但价格昂贵，可能不适用。

TIM的选择取决于各种因素，包括热性能、适用性和成本。选择与设备材料兼容、可承受工作条件、长期稳定性能的TIM非常重要。

热界面材料的选择标准

在选择热接口材料（TIM）时，考虑一些标准非常重要，以确保最佳的热性能和设备可靠性。TIM的主要选择标准如下：

• 热导率:
  TIM的热导率是决定热传递效果的重要因素。热导率越高的TIM，热传递越好，工作温度越低，设备性能越好。TIM的热导率从 thermal grease 的约0.5W/mK到金属基TIM的10W/mK以上不等。热导率是物质固有的特性，与大小无关。即使是导热率相同的物质，导热距离越远，热阻越大。


• 热电阻:
  TIM的热电阻是通过界面的热流阻力，与TIM层的厚度成正比，与面积和热导率成反比。热阻越低的TIM，热量传递越好，工作温度越低，设备性能越好。


• 压缩性:
  TIM的压缩性是衡量表面有微小凹凸的热源与散热片之间填补间隙的能力的尺度。高压缩性TIM可以提供更好的接触（凹凸减少气隙），并提高热传递性能。但是，如果压缩性太高，随着时间的推移，TIM本身（对于 thermal grease）或硅油（对于 thermal pad）可能会流出，从而降低效率。


• 寿命:
  TIM的寿命是衡量其在一段时间内保持热性能的能力的指标。某些TIM可能会随着时间的推移而干燥、滑落或损坏，从而降低热传递效率。


• 化学兼容性:
  TIM必须与设备材料和环境在化学上兼容。某些TIM可能与特定金属或塑料反应，导致设备腐蚀或性能下降。（对于 thermal pad，低分子硅酸的接触点腐蚀问题等）


• 易于应用:
  TIM的易用性是批量生产的重要因素。一些TIM可能需要特殊设备或技术，但也有一些简单适用的。


• 费用:
  TIM的成本也是需要考虑的重要因素。为了实现经济高效的热管理，热性能、寿命、适用性和TIM的成本必须平衡。

为了确保最佳的热性能和设备可靠性，必须在热导率、压缩性、寿命、化学兼容性、适用性和成本等多个标准之间进行平衡，选择正确的TIM。

名称整理

在选择热界面材料时，了解热导率、热阻、热阻抗、热流率等术语可能会有所帮助。

• 热导率(thermal conductivity):
  
  单位是W/mK，是表示物质传递热量的能力的物理性质。热导率由以下公式导出：
  
  
  ∆Q

  ∆t

   = kA

  ∆T

  ∆L
  
  
  

  ∆Q:热量(watt), ∆t:单位时间(sec), k:比例常数(热导率), A:导热但面积(m²), ∆L:导热距离(m), ∆T:两侧温度差(kelvin)

  
  

  假设列在单位时间内移动，k为：

  
  
  k =  

  Q∙∆L

  A∙∆T
  
  
  
  

  在这里整理单位的话，会变成W/mK（Watt per meter-Kelvin），热导率高的物质传热量好，热导率低的物质传热量不好。因此，用作隔热材料的材料通常导热率较低。




• 热电阻(thermal resistance):
  
  单位为K/W（Kelvin per Watt）。热阻与导热距离成正比，与导热率和截面积成反比，导出以下公式：
  
  
  R = 

  ∆L

  Ak
  
  
  

  R:热电阻, ∆L:导热距离(m), A:导热单面积(m²), k:热导率(W/mK)

  
  

  请注意，热阻率（thermal resistivity）是材料常数，是热导率的倒数。（单位：mK/W）

  
  
  R_λ = 

  1

  k
  
  
  

  R_λ:热阻率, k:热导率(W/mK)




• 热阻抗(thermal impedance):
  
  单位为m²K/W(square meters-Kelvin per Watt)。 热阻抗是材料厚度（导热距离）除以热导率的值，如下所示。热阻抗可以说是同时包含热阻和接触电阻的概念，在计算复合材料的总体热阻时可能会很有用。
  
  
  Z = 

  ∆L

  k
  
  
  

  Z:热阻抗, ∆L:导热距离(m), k:热导率(W/mK)

  
  

  例如，并排粘着的（串联）A物质（热导率 k_A, 厚度 L_A)和B物质（热导率 k_B, 厚度 L_B)的整体热阻抗Z可以计算如下。

  
  
  Z = Z_A + Z_B = 

  L_A

  k_A

    +  

  L_B

  k_B
  
  



• 热管流率(thermal transmittance):
  
  单位为W/m²K(Watt per square meters-Kelvin)。 热流率是热阻抗的倒数，如下所示。就像热阻抗表示复合材料的总热阻一样，热流率表示复合材料的总导热值。
  
  
  U = 

  1

  Z
  
  
  

  U: 热管流率, Z: 热阻抗(m²K/W)

热界面材料的特性分析

热导率测量技术

热导率是热面材料（TIM）的重要参数，通常使用多种技术之一进行测量。根据使用的时间和温度梯度（temperature gradient），这些技术大致可分为正常状态技术和过渡技术。

• 常态技术:
  常态技术通过测量在常态条件下已知厚度和面积的样品的温度梯度来测量热导率。最常用的常态方法是保护热板法，即在两个不同温度的板之间放置样品，测量热流和温度梯度。另一种方法是将制备的样品与已知热导率的标准物质进行比较。


• 过渡技术:
  过渡技术通过测量样品在短时间内对已知热输入的温度反应来测量热导率。最常用的方法是热线法（hot wire method），通过短时间加热薄电线或带材来测量样品的升温和冷却曲线。另一种技术是激光闪光法，用短脉冲激光加热样品并测量升温和降温。


• 差示扫描量热法(DSC; differential scanning calorimetry):
  差示扫描量热法是通过测量热流（如熔融或结晶）来测量物质热特性的技术。DSC可用于分析热转移过程中的热流，测量TIM的热导率。

测量技术的选择取决于特定的应用领域和要求，包括所需的材料特性、温度范围和准确度。为了准确可靠地测量热导率，选择适当的技术并仔细考虑测量的不确定性和潜在的错误原因非常重要。

热阻测量技术

热阻是表征表面材料（TIM）的重要参数。通常与热导率测量方法相同（常态法、过渡法），也使用电阻。

• 电阻:
  电阻在某些情况下，特别是在导电材料中，可以用作热敏电阻的替代品。样品的电阻使用标准电测量技术测量，热阻使用转换系数计算，具体取决于材料特性。

热界面材料的应用领域

电子设备概述和热管理挑战

电子设备在运行时作为副产品发热，为了防止损坏设备并保持性能，必须释放这些热量。有效的热管理对于保证电子设备的可靠性和寿命至关重要，这在许多应用程序中都是一个重要的挑战。

电子设备的热管理问题可能会因设备类型、操作环境和电源要求而异。但是，一些常见的挑战包括：

• 小型化:
  随着电子设备的尺寸越来越小，设备内部部件产生的热量越来越难释放。设备越小，散热面积越小，部件封装越致密，因此部件温度可能越高。半导体等部件根据规格规定在特定温度范围内使用，超过此温度可能会导致死机或误操作。


• 功率密度:
  电子设备越来越强大，这可能会提高功率密度（power density；单位体积或单位面积可产生或传输的功率量； W/m³, W/m²)并增加散热量。高功率密度可能会导致设备内出现热点，从而降低性能并增加故障风险。


• 环境条件:
  操作环境可能会对电子设备的热管理要求产生重大影响。环境温度、湿度高，接触灰尘或其他污染物会增加设备的热负荷，导致热性能下降。


• 材料选择:
  电子设备中使用的材料可能会影响热性能。例如，夏季接口材料的选择可能会对组件和散热片之间的热量传递产生重大影响。盘柜和其他组件的材料选择也会影响设备的热性能。


• 热电阻:
  热接口的热阻可能会影响设备的整体热性能。热阻高会导致热量传递效率低下，组件温度升高。

有效的热管理对于确保电子设备的稳定长期运行至关重要。要解决热管理问题，必须仔细考虑设备的工作环境、电源要求和设备所用材料的热特性。

热界面材料的新应用领域

热接口材料（TIM）已广泛用于电子设备和电力电子设备，以改善热管理和提高性能。但是，目前有一个新的TIM应用领域正在被研究人员和业界专家研究。以下是新兴的TIM的几个应用领域：

• LED 照明:
  发光二极管（LED）因其能效和长寿命而越来越受欢迎。但是LED会发热，影响性能和寿命。TIM可以改善LED的散热管理，以更好地散热和延长设备寿命。


• 电动机:
  电动机在运行过程中会发热，从而降低效率和寿命。TIM可以改善电动机的散热管理，从而改善散热，提高效率和寿命。


• 太阳能板:
  太阳能板将阳光转换为电能，但也可以在操作过程中产生热量。较高的温度会影响面板的性能和使用寿命。TIM可以改善面板的散热管理，从而改善散热，提高效率和使用寿命。


• 医疗器械:
  医疗器械在运行过程中可能会发热，影响性能和安全。TIM可用于改善医疗器械的热管理，以改善散热并防止可能对患者造成危险的过热。


• 航空航天和国防工业:
  航空航天和国防工业需要能够承受极端条件的高性能电子设备。TIM可用于改善该领域使用的电子设备的热管理，以改善散热，并确保在恶劣环境下的稳定性能。

总之，TIM的新应用领域多种多样，涉及多个行业。随着研究人员不断探索TIM的潜力，它将成为改善各种电子设备和系统性能、效率和可靠性的关键因素。

挑战科目及未来方向

当前热界面技术的挑战

虽然现代接口技术（TIT）在改善电子设备和系统的热管理方面取得了巨大进展，但仍有一些问题需要解决。当前TIT的一些挑战包括：

• 表面粗糙度:
  TIT的主要挑战之一是表面粗糙度。散热片和零件的表面粗糙度会影响TIM的接触面积和热导率。因此，TIM的效率可能会降低，从而导致热性能下降。


• 界面厚度:
  TIM的厚度是影响导热性的另一个重要参数。如果TIM太厚，则可以创建减少热量传递的热障。另一方面，如果TIM太薄，可能无法填充零件和散热片之间的间隙，导致热接触不正常。


• 热稳定性:
  TIT的另一个挑战是TIM的热稳定性。某些TIM可能会因热循环或高温暴露而性能下降，具体取决于时间。这些性能下降可能导致热性能下降，甚至导致TIM故障。


• 互换性:
  TIM与组件和散热片的兼容性也是一个重要的考虑因素。某些TIM可能与组件或散热片发生反应，导致腐蚀、性能下降或其他问题。


• 制造及费用:
  最后，TIM的制造工艺和成本也可能是一个问题。部分TIM制造困难，生产成本高。此外，TIM的成本可能会对电子设备或系统的整体成本产生重大影响。

总之，TIT在改善电子设备的热管理方面取得了显著进展，但仍有一些挑战需要解决。研究人员和业界专家正在努力开发新的TIM来解决这些问题，并改善电子设备和系统的热性能。

热界面材料的新趋势

热界面材料（TIM）不断发展以满足电子设备和系统不断增长的需求。以下是TIM的新趋势：

• 石墨烯 TIM:
  石墨烯是由碳原子组成的二维物质，具有很好的导热性，可以用作summer界面材料。研究人员正在探索如何使用基于石墨烯的TIM来改善电子设备的热管理。基于石墨烯的TIM可以提供更好的散热，并提高电子设备的整体性能和效率。


• 相变材料:
  相变材料（PCM）是在相变过程中可以吸收或释放热能的材料。为了改善电子设备的热管理，研究人员正在探索将PCM用作TIM的方法。PCM可以在运行过程中吸收热量，并在空闲时间释放热量，从而提高设备的整体效率和寿命。


• 3D打印:
  3D打印技术用于创建适合电子设备特定几何的定制TIM。这种方法可以最大限度地提高部件和散热片之间的接触面积，从而改善电子设备的热性能。还可以使用3D打印创建复杂的结构，以提高TIM的导热性。


• 纳米粒子 TIM:
  可以通过在现有TIM中添加纳米粒子来改善导热性。研究人员正在探索如何使用银、铜、铝氧化物等多种纳米粒子来提高TIM的导热性。这些基于纳米粒子的TIM可以提供更好的散热，并改善电子设备的整体热性能。


• 混合 TIM:
  混合TIM是结合不同材料的TIM，以实现最佳的导热性和稳定性。例如，研究人员正在探索混合TIM的使用，该TIM结合了液态金属和现有的表面。液态金属具有出色的导热性，而表面则具有稳定性和防腐蚀性。

总之，TIM的新趋势在不同的材料和制造方法中各不相同。随着研究人员不断探索TIM的潜力，它有望更有效地改善电子设备和系统的热管理。