別忘了熱介面材料

在熱管理領域，風扇、散熱器和帕爾帖裝置備受關注，因此可能很容易就忘記這些元件的組裝方式。熱介面材料 (TIM) 是這些其他熱管理技術 發揮最佳效能的最重要關鍵。TIM 的用途是以一種比空氣具有更好導熱性的物質，在兩個不均勻的表面之間，填補之間的細微空隙。TIM 包括多種可用來增強導熱性的材料，藉此確保從發熱元件 (如功率電晶體) 到散熱物體 (如散熱器、熱電冷卻器或兩者) 之間達到有效的熱傳遞。本文將更詳細定義導熱性和熱阻抗，同時針對設計工程師可取得的不同 TIM 類型提供更進一步的介紹。

圖 1：TIM 在兩個不均勻表面之間填補氣隙的基本示意圖。(圖片來源：Same Sky)

導熱性概述

為了徹底瞭解填補這些微小空隙對熱傳遞有何增強，就必須清楚瞭解導熱性。導熱性是衡量材料熱傳遞能力的指標，且不受指定元件尺寸的影響。此參數通常是以功率單位除以面積乘以溫度來量化，例如 W/m°C 或 W/m*K。應該注意的是，由於凱氏溫標上的一個單位相當於攝氏一度，因此在計算時，只有溫度的相對變化才有關係，而不是絕對值。

在處理散熱時，更高的導熱性是越有利的。低導熱性的材料具有較低的熱傳遞率，而高導熱性的材料則可達到快速的熱傳遞。為了方便說明，空氣的導熱性僅有 0.0263 W/m*K，這比熱介面材料低約兩個數量級。當元件和散熱器之間具有氣隙時，散熱會受到阻礙。因為 TIM 的導熱性比空氣優良許多，因此用 TIM 填補這些空隙，就可達到更有效的熱傳遞。

熱阻概述

另一方面，熱阻抗或熱阻高度取決於指定元件的形狀，並以溫度除以功率的單位表示，即每瓦攝氏度。雖然 Same Sky 的熱管理概述和如何挑選散熱器部落格文章都有詳細說明熱阻，但還是在此迅速回顧。熱阻以 C/W 為單位表示，可決定每瓦功耗，接面的溫度會升高多少攝氏度。例如，如果耗散 4 W 功率的接面，熱阻為 10 C/W，則相對於環境溫度，其溫度會提高攝氏 40 度。通常，熱阻值是針對特定媒介和面積進行描述的，例如 TO-220 封裝在沒有散熱器下對空氣。

當多個裝置整合在一起時，就會分配一個新的熱阻值。然而，此熱阻值是假設兩個表面之間達到完美連接，但現實並非總是如此。在此情況下，就會使用熱介面材料來創造盡可能接近理想的條件。雖然這確實可改善熱傳遞，但也會增添一定程度的複雜性，因為 TIM 的熱阻必須納入計算中。有點諷刺的是，雖然熱介面材料可降低兩個物體之間的熱阻，但其本身也具有熱阻。這個值並非微不足道，但仍會顯著降低兩個物體之間的熱阻，比其加上的熱阻還多。根據使用的 TIM 類型，可以提供此熱阻，或是要依據 TIM 的厚度以及黏貼 TIM 的表面面積進行計算。

圖 2：可考慮在應用中採用的典型熱阻路徑範例。(圖片來源：Same Sky)

熱介面材料的常見類型

熱介面材料包括凝膠、潤滑脂、膏料和墊片的形式，可針對不同的熱管理難題提供多樣化解決方案。當中的熱介面膏料則包括凝膠和潤滑脂，以其高導熱性、靈活性與填充較大間隙的能力而聞名。然而，膏料的塗抹較為複雜，尤其是在不平坦的表面上，可能無法每次都達到一致的結果。塗抹過多會導致整體效用降低，塗抹不足則有損熱介面的效能。此外，金屬基底的膏料可提供優異的導熱性，但若溢出到 PCB 上，可能會產生電氣危險。陶瓷或碳基膏料可能是更安全的替代方案，但熱效率可能不如金屬基底的產品。

相比之下，導熱墊則屬於實心 TIM，由矽樹脂或非矽樹脂的彈性體製成，也有其他多種材質可供選擇。例如，Same Sky 的導熱墊就具有天然黏性與電氣隔離性，並提供多種導熱性等級，從 1.0 至 6.0 W/m*K。使用熱介面墊片而非膏料的主要優點之一在於容易黏貼。Same Sky 的導熱墊經過預先切割，可配合自家帕爾帖裝置的輪廓，與其購買大片墊片材料再切割成型，這可在組裝時節省時間並提供更多便利性。導熱墊還可提供更高的一致性、減少雜亂，並且比導熱膏更容易重複使用。

然而，在使用者面臨多種裝置和尺寸的情況下，導熱膏因為具有多用途性，因此依然是首選。導熱膏也廣受業餘愛好者歡迎，因為價格親民且以小管裝隨手可得，因此無需精確測量和比對尺寸。因此這在小型專案和一次性應用中，是相當便利的選擇。以下快速一覽不同的 TIM 選擇：

表 1：熱介面材料選擇概覽。(圖片來源：Same Sky)

結論

有效的熱管理是個複雜的問題，需要一連串的策略和解決方案。最重要的是，不要忽視熱介面材料在整體系統中扮演關鍵組成的重要性。無論是在原型階段、生產過渡期間，還是僅將熱介面材料用於 DIY 專案，都要瞭解其必要性的原因，及其功能背後的機制，就可對設計的熱效能帶來重大影響。