技术资讯 I 导热材料对热阻的影响

在电子器件（如导热材料或导热硅脂）上涂覆导热材料的目的是帮助发热器件加快散热。此举旨在降低器件每单位电能耗散所产生的温升。衡量每功耗所产生温升的指标称为热阻，而给器件涂抹导热材料的目的正是为了降低元件的热阻。

本文将简要解释热阻的概念，并介绍导热材料的特性如何影响热阻。

导热材料和热阻

导热材料一词源自它在器件上发挥的作用，也被称为导热填充物。将导热材料涂敷于器件表面，并在机械压力作用下将散热器安装到器件上时，导热材料会填充器件与散热器接触面之间的微观间隙。换言之，界面处的空气被具有高导热系数的材料取代，从而能高效地将热量传导至散热片。通过在器件与散热器之间建立高效导热路径，可最大化两者之间的热通量。

由于空气导热性较差，通过在压力下涂覆导热材料，排出空气，可显著提升接触界面的整体导热性能。最终形成的导热材料与空气体积占比将决定界面的热阻值。该值可用于预测导热材料对器件热阻的影响（见下文）。

热阻预测

在实际器件中，热阻的大小取决于多种因素，包括用于定义温升的环境温度。在元器件产品手册中，封装材料的热导系数几乎从不会出现在材料特性或封装数据表中。通常取而代之的是标注器件两个特定区域或部分之间的实测热阻值。

为了预测带散热器的器件热阻变化，封装到环境或裸片到环境的热阻值扮演重要作用。裸片到封装的热阻可能非常低，这意味着热量能轻易从裸片器件传导至封装外壳。但封装到环境的热阻值（尤其是环氧树脂基封装）可能会非常高。下表列出了不同器件封装的典型热阻值范围：

可使用一个简易模型，基于空气与导热材料的导热系数来评估封装热阻的变化。首先，我们可以利用空气和热界面材料（TIM）的导热系数来计算封装至环境的热阻：

分别计算空气暴露部分和 TIM 暴露部分的封装至环境热阻。

接下来计算这两个数值的差值，即可得知导热材料（TIM 层）降低热阻的程度：

分别计算空气暴露部分和 TIM 暴露部分的封装至环境热阻。

运用该公式的难点在于确定导热材料与空气的体积比，该比值可能介于 10:1 至 1000:1 之间，甚至更大。具体数值还会因导热膏类型而异；某些多孔导热垫片的比值较低，而导热膏能高效填充元件与散热器接触面的微观间隙，其比值可能高出许多。

哪种导热材料效果最佳？

通过上述一维模型分析可知，决定哪种导热材料最能有效降低热阻的关键因素有四个：

1

导热材料的成分，决定了其导热系数

2

组装工艺过程，决定了空气及填充材料比例

3

导热材料涂覆区域的大小

4

导热材料涂覆/完全固化后的厚度

由于系统中存在许多变量，很难对所有导热材料的效果做出笼统的比较性论断。导热材料选择通常不以热阻变化为主要考量，而是基于其他工程特性，如是否可以重工、清洁度、组装成本、脱气性等。选定材料后需通过原型组装验证，方可投入量产。

该流程本身并无问题，除非发现最初选用的导热材料无法提供足够的散热效果。为此应当采用包含热传导与气流分析在内的综合热仿真方案，以确定关键元器件的目标热阻要降低到什么程度。通过这种方式，可以设定系统必须满足的新标准，并将其作为性能目标，而非仅关注成本或组装工艺。对于高可靠性设计而言，这可能是一种更优的策略。

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