如何使用均熱片和間隙填料來最佳化熱管理

良好的熱管理非常重要，能夠確保電子元件有好的效能和可靠度。熱管理的概念很簡單，首先是將不必要的熱量從熱源轉移出去，然後將其傳遞到更大的區域，以達成有效的散熱和冷卻。然而，在許多情況下，熱管理的實作可能極具挑戰性。

發熱元件的表面通常不夠光滑，不具備較低的熱阻抗，因此不能夠確保良好的熱傳遞效果。某些元件的表面不平整，這就會增加熱管理的難度。此外，需要冷卻的元件可能安裝在系統內部深處，使得散出具潛在破壞性的熱量，變得更加複雜。

導熱膏及油脂可用於提高熱傳導率，然而想取得所需的覆蓋面積，以確保有良好的熱傳遞並避免過度塗用導熱膏，則是個棘手的問題。過度塗用可能會導致電路板走線受到污染並導致短路。此外，導熱膏及油脂無法從熱源處橫向散熱。

相反地，設計人員可以轉用各種熱介面材料 (TIM)，包括間隙填料和均熱片，使熱阻抗持續保持在較低阻抗下，以達到有效的熱傳遞效果，同時解決任何污染的問題。為了滿足特定的系統需求，TIM 能製作成不同的結構，以垂直方式傳熱或橫向方式散熱。TIM 有多種厚度可供使用，滿足特定應用的要求，並且 TIM 能在較高的工作溫度下保持機械穩定性，具有良好的可靠度。TIM 還可以提供高電氣隔離效果，且易於塗用。

本文將探討熱管理主題，並提供一般性的 TIM 選擇指南。然後還會介紹 Würth Elektronik 的幾種 TIM 選項，並檢視每個選項的應用和設計考量。

什麼是 TIM？

TIM 是安放在熱源和冷卻組件之間，以改善熱電偶和熱能的流動。兩種因素可以提高熱電偶的效率。首先，TIM 能夠填補不規則的微觀表面，可消除所有具絕緣效果的空氣，避免介面熱傳導率降低 (圖1)。其次，TIM 的熱傳導率足以有效地將熱量從熱源傳遞到冷卻組件。熱傳導率 K 值的計量單位為 W/mK。其依照 ASTM D5470「熱傳導電氣絕緣材料的熱傳導性質標準測試方法 (Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials)」進行測量。

圖 1：TIM (藍色) 用於填補元件和冷卻組件的微觀不規則表面，以改善熱偶效應。(圖片來源：Würth Elektronik)

除了熱傳導率之外，選擇 TIM 時還需要考量幾個因素：

• 工作溫度範圍很重要，因為不同的 TIM 適用不同的溫度範圍。
• 配接表面之間的距離，以及是否需要壓縮 TIM 以達到最佳的熱傳遞效果。
• TIM 的耐壓縮壓力的能力。
• 一些 TIM 的表面塗有黏合劑，可提供機械性固定能力。
• 與某些材料一樣，TIM 的電氣絕緣性可用於提供電氣隔離能力。
• 一些 TIM 可以作為標準零件使用，沒有最低訂購量的限制，也無需工具製作成本，而有些 TIM 則可以客製化成不同的形狀，針對特定的應用要求進行最佳化。

間隙填料的選擇

WE-TGF 矽間隙填料屬於一般用途材料，是專為需要電氣隔離的低壓型應用而設計，其中 TIM 被壓縮到本身厚度的 10% 至 30%。如果壓縮量超過建議值，可能會導致矽油排出，縮短材料的預期壽命，並可能污染到印刷電路板 (PC 板)。這類 TIM 的設計可用於兩個機械性固定的表面之間，因為這種表面除了天然黏膠性外，並沒有任何額外的黏合劑。TIM 的厚度介於 0.5 至 18 mm 之間，熱傳導率則在 1 至 3 W/mK 之間。如果厚度在 0.5 至 3 mm 之間，就能夠支援更高的熱傳導率 (圖2)。

圖 2：Würth 的熱間隙填料能夠滿足多種應用的需求。(圖片來源：Würth Elektronik)

例如，編號為 40001020 的零件是一個 400 x 200 mm 的墊片，厚度為 2 mm，K 值為 1 W/mK，介電強度或絕緣破壞額定值 (E_BR) 為 8 kV/mm。WE-TGF 間隙填料具備柔軟及電氣絕緣的特性，適合在一個或多個電子元件和冷卻組件之間使用 (圖 3)。

圖 3：矽膠彈性體間隙填料墊片是用於填滿一個 (或多個) 電子元件與冷卻組件 (如散熱片、冷卻板或金屬外罩) 之間的間隙。(圖片來源：Würth Elektronik)

對於需要電氣隔離和更薄外形的熱管理應用，設計人員可以使用 K 值 1.6 至 3.5 W/mK、厚度為 0.23 mm 的 WE-TINS 導熱矽絕緣墊片。編號為 404035025 的零件，K 值為 3.5 W/mK，E_BR 為 6 kV/mm。如同 WE-TINS 系列中的所有零件一樣，404035025 合併使用熱傳導矽膠和玻璃纖維網。玻璃纖維網可增加機械強度，並具有抗穿刺力和抗剪力。由於結構的機械特性，這類 TIM 可以根據需要進行壓縮，並且具有較高的抗拉強度。

熱相變材料和熱傳導膠帶更薄，其縱切面厚度只有 0.02 mm。例如，WE-PCM 系列的相變 TIM，在特定溫度下會從固體變為液體，使介面完全浸濕，卻不會出現任何的溢出，是專為高效能積體電路或電源元件和冷卻組件而設計。例如，編號為 402150101020 的零件，面積為 100 平方毫米，兩側有黏合劑，K 值為 5 W/mK，E_BR 值為 3 kV/mm，相變溫度為 55°C。

WE-TTT 熱傳導膠帶是一種雙面膠，可將兩個接觸面進行機械性固定，K 值為 1 W/mK，E_BR 值為 4 kV/mm，是專門為低壓應用而設計，寬度有 8 mm (零件編號 403012008) 和 50 mm (零件編號 403012050) 兩種可選，一卷的長度總計 25 m。

石墨熱傳導解決方案

合成的石墨製成的 TIM，具有最高的熱傳導率 (圖4)。WE-TGS 系列中編號為 4051210297017 的零件是一種合成的石墨均熱片，尺寸為 297 x 210 mm，K 值為 1800 W/mK，無電氣隔離效果。石墨片結合高熱傳導率、重量輕和輕薄 (0.03 mm) 的特性，廣泛適用於從大功率半導體模組到手持式元件的各種應用。

圖 4：石墨均熱片可提供較高的熱傳導率，具有多種尺寸，厚度僅為 0.03 mm。(圖片來源：Würth Elektronik)

WE-TGFG 系列結合了石墨片與泡棉墊片，產出獨特的熱管理解決方案，K 值為 400 W/mK，E_BR值為 1 kV/mm。產品可製造成長墊片以作為均熱片，將熱量從熱源橫向傳導至位於系統另一部分的冷卻組件 (圖 5)。例如，407150045015 零件長 45 mm、寬 15 mm、厚 1.5 mm，可用於需要間隙填充和橫向熱傳遞的應用。

圖 5：置放在熱元件頂部的 TIM 可以當作均熱片使用，將熱量從元件橫向傳遞出去。(圖片來源：Würth Elektronik)

如果想要使用矽墊片 (比如 WE-TGF 間隙填料) 來達到更高的熱傳導率，就需要將墊片做得更薄。設計人員可以使用 WE-TGFG TIM 來填補最大為 25 mm 的間隙，其熱傳導率比矽墊片要高得多，並且 WE-TGFG 零件能以客製化的幾何形狀供應，以配合非平面空間的使用 (圖 6)。

圖 6：石墨泡棉墊片 (中心) 可以製成各種幾何形狀，並用於連接熱源 (底部) 和非平面散熱元件 (頂部)。(圖片來源：Würth Elektronik)

結合多種 TIM 以提高效能

多種 TIM 可以結合起來，提供更高等級的效能。例如，WE-TGS 石墨均熱片可與 WE-TGF 矽膠間隙填料合併使用，來使用覆蓋區大於熱源的散熱片，進而提高整體組件的冷卻能力 (圖7)。

圖 7：將 WE-TGS 石墨均熱片 (TIM 1) 與 WE-TGF 矽間隙填料 (TIM 2) 結合使用，可以使用覆蓋區比熱元件更大的散熱片，進而增強冷卻效果。(圖片來源：Würth Elektronik)

一般應用指南

無論使用哪種 TIM 或 TIM 組合，設計人員都需要考量一些一般應用準則：

• 元件和冷卻組件的表面都需要保持清潔和乾燥。應該要使用無絨棉棒 (或擦拭布) 和異丙醇來清除表面的任何污染。
• 如果使用需要壓縮的 TIM，應在整個表面上對材料施加均勻的壓力。如果施加的壓力超過規定的額定值，可能會損壞材料。
• 必須清除表面所有的氣泡和／或間隙，以實現最佳的熱傳導率。
• TIM 的工作溫度必須能夠適應環境度溫和被冷卻之元件的溫升。

結論

熱管理是眾多電子系統設計中共有的問題。如前所示，設計人員可以使用以矽、相變材料、石墨和泡棉墊片等多種材料製成的 TIM。使用 TIM 可以使熱阻抗持續保持在較低的程度，達到有效的熱傳遞，同時消除在使用導熱膏及油脂時可能出現的任何污染問題。

雖然導熱膏及油指只能垂直地傳遞熱量，但設計人員可以選擇垂直傳熱的間隙填料 TIM 或橫向傳熱的均熱片。最後，許多 TIM 沒有最低訂購量的限制或工具製作成本，因此是熱管理設計的經濟實惠選擇。

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