良好的熱管理對于確保電子器件的性能和可靠性非常重要。這在概念上看似很簡單，首先轉(zhuǎn)移源頭的多余熱量，并分散到更大的區(qū)域，以實現(xiàn)有效散熱和冷卻，但在許多情況下，實現(xiàn)過程卻很有挑戰(zhàn)性。

發(fā)熱器件的表面通常不夠光滑，沒有可確保良好傳熱的低熱阻抗。有的器件表面并非平面，這就加大了熱管理的挑戰(zhàn)。此外，需要冷卻的元器件可能位于系統(tǒng)深處，要排出可能造成損壞的熱量更加復雜。

導熱膏和導熱脂能用于改善導熱率，但要達到必要的覆蓋范圍以確保良好的熱傳導，避免過度涂抹而導致電路板印制線污染或短路，這就比較棘手。并且，導熱膏和導熱脂不能從源頭上橫向散熱。

不過，設(shè)計人員有多種導熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）可以選擇，包括填隙材料和散熱片，以提供有效傳熱所需的持續(xù)低熱阻抗，同時消除任何污染問題。為了滿足特定的系統(tǒng)需求，TIM可以采用垂直傳熱或橫向散熱的結(jié)構(gòu)。TIM有多種厚度可供選擇，以滿足特定應(yīng)用的要求，在較高工作溫度下具有機械穩(wěn)定性和良好的可靠性。TIM還可以提供較高的電氣隔離，而且涂抹操作簡單。

本文將回顧熱管理技術(shù)理論內(nèi)容，并提供TIM選擇指南，然后介紹伍爾特電子（Würth Elektronik）的幾種TIM選項，并會探討每種選項的應(yīng)用和設(shè)計考慮。

什么是TIM？

TIM放置在熱源和冷卻組件之間，以改善熱耦合和熱流。兩個因素可提高熱耦合的效率。首先是TIM能夠適應(yīng)微觀表面不規(guī)則性，消除了所有降低界面導熱率的絕緣空氣（圖 1）。其次，TIM具有將熱量從源頭有效地傳遞到冷卻組件所需的導熱率。導熱率K的計量單位為W/mK。其采用ASTM D5470“Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials”（導熱電氣絕緣材料熱傳導性能標準試驗方法）進行測量。

圖1：TIM（藍色）用于填補元器件和冷卻組件表面存在的微觀不規(guī)則，以改善熱耦合

除了導熱率之外，在選擇TIM時還要考慮幾個因素：

工作溫度范圍很重要，因為各種TIM的溫度范圍各不相同

配接表面之間的距離以及TIM是否需要壓縮以提供最佳熱傳導

TIM的壓縮壓力承受能力

一些TIM的表面涂有粘合劑，可以進行機械固定

和某些材料一樣，TIM的電氣絕緣性能可用于提供電氣隔離

有些TIM是標準件，無最小訂貨量限制，也沒有模具費用，而有些TIM則是定制形狀，可以根據(jù)具體應(yīng)用要求進行優(yōu)化

填隙材料的選擇

WE-TGF硅膠填隙材料是一種通用材料，設(shè)計用于需要電氣隔離的低壓力應(yīng)用，其中TIM被壓縮至自身厚度的10% - 30%。超過建議的壓縮量可能導致硅油排出，縮短材料的預期壽命，并可能污染印刷電路板（pc板）。這些TIM設(shè)計用于兩個機械固定表面之間，因為除了自然粘性之外，沒有任何額外的粘合劑。厚度為0.5至18 mm，導熱率為1至3 W/mK。厚度0.5至3 mm支持更高的導熱率（圖2）。

圖2：伍爾特電子導熱填隙材料可滿足各種應(yīng)用需求

例如，料號40001020是一個400 x 200 mm的墊片，厚度2 mm、K值1 W/mK、介電強度或電擊穿等級（EBR）8 kV/mm。WE-TGF填隙材料的柔軟和電氣絕緣特性使其適合用于一個或多個電子元器件和冷卻組件之間（圖3）。

圖3：硅膠彈性體間隙填充墊設(shè)計用于填充一個或多個電子元器件與冷卻組件（例如散熱器、冷卻板或金屬外殼）之間的間隙

對于需要電氣隔離和更薄外形的熱管理應(yīng)用，設(shè)計人員可以使用K值1.6至3.5 W/mK、厚度0.23 mm的WE-TINS導熱硅膠絕緣體。料號404035025的K值為3.5 W/mK，EBR為6 kV/mm。與WE-TINS系列的所有零件一樣，404035025 組合使用導熱硅橡膠和玻璃纖維網(wǎng)。網(wǎng)眼增加了機械強度，并且耐穿刺、耐剪切。由于結(jié)構(gòu)的機械性能，這些TIM可以按需壓縮，并且具有較高的拉伸強度。

導熱相變材料和熱轉(zhuǎn)移膠帶更薄，其剖面厚度僅0.02 mm。例如，WE-PCM系列的相變TIM在特定溫度下從固體變?yōu)橐后w，提供完全浸濕的界面，而無任何溢出或流出。這些材料設(shè)計用于高性能集成電路或功率元器件和冷卻組件。例如，料號402150101020尺寸為100平方毫米，兩面有粘合劑，K值5 W/mK，EBR 3 kV/mm，相變溫度55攝氏度（°C）。

WE-TT熱轉(zhuǎn)移膠帶是一種雙面膠，可以機械固定兩個接觸面。其K值為1 W/mK，EBR 4 kV/mm，專為低壓力應(yīng)用設(shè)計。膠帶長25 m，寬度類型分為8 mm（料號403012008）和50 mm（料號403012050）。

石墨散熱解決方案

合成石墨基的TIM具有最高水平的導熱率（圖4）。WE-TGS系列中的料號4051210297017是合成石墨散熱片，尺寸297 x 210 mm，K值1800 W/mK，不提供電氣隔離。這些石墨片結(jié)合了高導熱率、重量輕和厚度（0.03 mm）的特性，適用于從高功率半導體模塊到手持設(shè)備的各種應(yīng)用。

圖4：石墨散熱片具有很高的導熱性，具有多種尺寸，厚度僅為0.03 mm

WE-TGFG系列結(jié)合了石墨片和泡沫墊，形成獨特的熱管理解決方案，K值400 W/mK，EBR 1 kV/mm。產(chǎn)品可以制作成長襯墊作為散熱片，將熱量從源頭橫向轉(zhuǎn)移到位于系統(tǒng)另一部分的冷卻組件。例如，料號407150045015 長45 mm，寬15 mm，厚1.5 mm，可用于需要間隙填充和橫向傳熱的應(yīng)用。

若要用諸如WE-TGF填隙材料這樣的硅膠墊來實現(xiàn)更高的導熱率，則需要將硅墊做得更薄。設(shè)計人員可以采用WE-TGFG TIM來填充不超過25 mm的間隙，其導熱率比硅膠墊高得多，而且WE-TGFG零件可以按定制幾何形狀制造，以適應(yīng)非平面空間。

組合TIM以獲得更高性能

TIM可以組合在一起，以提供更高的性能。例如，WE-TGS石墨散熱片可以與WE-TGF硅膠填隙材料組合使用，以便使用基底面超過熱源的散熱片，提高整個組件的冷卻能力（圖）。

圖：將WE-TGS石墨散熱片（TIM 1）與 WE-TGF 硅膠填隙材料（TIM 2）結(jié)合，可以使用比熱元器件的基底面更大的散熱器，提升冷卻性能

應(yīng)用筆記

無論使用哪種TIM或TIM組合，設(shè)計人員都需要考慮基礎(chǔ)的應(yīng)用原則：

元器件和冷卻組件的表面需要清潔和干燥。應(yīng)使用無絨棉簽或抹布和異丙醇來清除表面的任何污染

使用需要壓縮的TIM時，應(yīng)在整個表面均勻壓縮材料。如果施加的壓力超過規(guī)定等級，材料會損壞

必須消除表面的所有氣泡和/或間隙，以實現(xiàn)最佳導熱率

TIM工作溫度必須能夠適應(yīng)環(huán)境溫度和被冷卻元件的溫升

總結(jié)

熱管理是電子系統(tǒng)設(shè)計中存在的普遍問題。如上所述，設(shè)計人員可以采用各種材料的TIM，包括硅膠、相變材料、石墨和泡沫墊。使用TIM可以提供有效傳熱所需的持續(xù)低熱阻抗，同時消除了使用導熱膏或?qū)嶂赡艹霈F(xiàn)的任何污染問題。

雖然導熱膏和導熱脂只能垂直傳熱，但設(shè)計人員可以選擇垂直傳熱的填隙材料TIM或橫向傳熱的散熱片。最后，眾多TIM無最小訂貨量限制或模具費用，因此是熱管理設(shè)計的經(jīng)濟選擇。

審核編輯：黃飛