热界面材料对于每个热管理解决方案都至关重要。了解各种热界面材料类型的特性非常重要,这样您才能为您的应用做出正确的选择。
选择合适的导热材料
根据您的应用程序,您可能希望使用一种类型的 TIM 而不是另一种类型的 TIM,以帮助提高性能。有些是刚性的,有些是灵活的。一些 TIM 是实心的,而其他 TIM 可以在相之间变化。有多种热界面材料类型可用于改善表面之间的传热,但规范正确的类型至关重要。
所以让我们进入它们!
热界面材料类型列表:
导热膏
对于任何构建自己的PC的人来说,导热硅脂可能是首先想到的热界面材料类型。您可以猜到,导热硅脂是一种专门设计用于具有高导热性的润滑脂。大多数导热硅脂都是基于硅油的,带有微小的导热填料颗粒,可提高混合物的整体导电性。市场上有无硅润滑脂,用于对有机硅敏感的应用。关注可能与导热硅脂接触的表面的润湿性和附着力的应用将受益于使用无硅化合物。
广泛可用且常见的应用选择
导热硅脂易于获取,因此在DIY项目或小批量原型或生产运行中很受欢迎。对于需要从一种产品到另一种产品保持一致性的应用,创建用于筛选导热硅脂的模板相对简单。这使得特定应用的润滑脂模式变得简单且具有成本效益。其他热界面材料需要模切才能产生定制形状,这通常比油脂筛更昂贵。
低界面电阻,是平坦表面的理想选择
由于润滑脂是一种伪类型的流体,因此对两个表面之间的导热硅脂施加压力会迫使润滑脂剪切并在这些表面之间扩散。这有利于我们在热管理方面的优势。您尝试传递热量的表面之间的材料越薄,界面材料对传热施加的阻力就越小。这使得导热硅脂成为平坦光滑表面的理想选择。具有不同高度的粗糙或更详细的表面具有润滑脂无法完全填充的小口袋,这就是设计其他热界面材料(如间隙填充物)的原因。
在压力下
导热硅脂需要弹簧加载的安装力。当导热硅脂加热时,它会流出一点点并变薄。为确保两个表面始终接触并压缩润滑脂,最好使用弹性力来安装润滑脂表面。
油脂,真是一团糟
我们在测试实验室开玩笑说导热硅脂的不可思议的能力可以到达任何地方和任何地方。看错了,它就会沾到你的衬衫上。与任何其他润滑脂一样,导热硅脂可能很难清理并保持良好。在较小数量的情况下,润滑脂保存在试管和注射器中,从而可以更好地控制应用。大量导热硅脂装在带有大盖子的较大容器中,从开放式浴缸中涂抹润滑脂可能会造成混乱。
润滑脂不可重复使用
虽然导热硅脂有很多优点,具有灵活性和易用性,但它也有不可重复使用的缺点。在润滑脂被压缩并变稀后,没有一种万无一失的方法可以将润滑脂收集回您应用的原始厚度,而不会引入否定热界面材料整个要点的气穴。这就是为什么像Boyd这样的制造商提供导热解决方案,在散热器上预先筛选导热硅脂,以提供一致数量的润滑脂以及润滑脂盖,以保护润滑脂直到准备安装。
长时间使用后,导热硅脂倾向于混合物中挥发性更强的化学物质脱气和变干。放气的化学品可以降低粘度并简化应用过程,因此对于未来几年的产品来说,这不是问题。在返工方面,这是一个问题。润滑脂留下易碎的混乱,无法重新涂抹。获得与以前相同的性能的唯一方法是重新涂抹新鲜的导热硅脂。
填隙料
填缝剂是另一种流行的界面材料类型。填缝剂是弹性片,通常由硅胶制成,含有专门的热填料材料,以增加材料的整体导热性。这些材料有多种选择,因此很容易找到适合特定应用的填缝剂。间隙填充器通常被切割成标准设备尺寸或针对特定应用的定制形状。
广泛的间隙填充材料选择
填缝材料可能是最多样化的主要热界面材料类型。所有填缝剂都混合了基础弹性体和热填料,其中包括硅和无硅材料。这些只是选择间隙填充器时可用选项的一小部分。在相同的弹性体和填料混合物中,有多种板材厚度、板材每侧的粘性或粘合性选项、玻璃纤维等增强材料以及用于在应用前保护材料的载体选项。某些材料可以电气隔离热设备。其他填隙剂具有吸收电磁干扰(EMI)的能力。在所有这些选项之间,您可以有一百个具有一种材料类型的选项。这一系列选项使填缝剂成为热界面材料的热门选择。
适应公差堆叠和带间隙填充物的多个设备
由于填缝剂由弹性基材制成,因此具有弹性。这意味着它可以被压缩,并且可以对压在它的表面上施加与其偏转成比例的压力。但它不是轴向弹簧,而是一个弹性表面,可以在整个表面上压缩不同的量。这就是为什么间隙填充物在适应公差堆叠和多个设备方面如此有效的原因。间隙填充器将屈服到不同的高度,因此,如果存在特定设备的公差堆叠并有一点差异,间隙填充器仍然可以有效地将设备连接到散热器。它不需要只是一个设备,它可以是需要连接到单个散热器的多个设备。使用间隙填充剂,这是可能的。
某种可重复使用的热界面材料
填缝剂具有一定程度的可重复使用性。由于它们是弹性的,这些热界面材料具有弹回原位的能力。当我们用力过猛时,我们会在填缝剂中产生塑性变形,使其无法完全恢复其原始厚度。因此,如果我们保持在该范围内,我们可以再次使用间隙填充剂。如果填缝剂有粘合剂面,它可能无法很好地剥离,这也将限制其重复使用的能力。粘性或粘性表面还具有发现漂浮在周围的任何和每个颗粒的不可思议的能力,因此如果间隙填充物的拆卸和重新安装不在清洁和受控的环境中,表面可能会变脏。
绝缘五金
硬件形式的热界面材料通常用于其高导热性和电绝缘性能。一些硬件也用作衬套或轴承表面。与其他 TIM 相比,热界面绝缘硬件以机械稳定性和更高的耐温性而闻名。
绝缘五金材料
通常使用导热陶瓷,如氧化铝、氮化铝和氧化铍,因为它们价格实惠且相对容易制造成分立式硬件组件。云母是一种天然存在的矿物,具有片状结构,通过片状平面具有出色的导电性。由于云母广泛可用且易于加工,因此在电绝缘但导热的硬件组件方面也是一种流行的材料选择。硬件也可以由尼龙、PTFE 填充聚甲醛或邻苯二甲酸二烯丙酯等塑料制成。用于绝缘硬件的塑料需要高介电强度,以及良好的热稳定性和化学稳定性。
修改和定制不灵活
硬件需要以要使用的形状制造,尤其是陶瓷 TIM 硬件。大多数硬件都是特定于设备的,或者是为了适应非常特定的尺寸而创建的。
陶瓷需要为将要使用的设备成型,并在烧制之前包括适当的引线和安装孔。否则,将需要后处理。加工陶瓷可能很困难,并且有潜在的危险。陶瓷很脆,在加工时需要精细处理,对于氧化铍,必须采取特殊的预防措施以防止吸入任何颗粒。小颗粒氧化铍吸入肺部时有毒。总而言之,从一开始就使陶瓷成为您需要的形状要容易得多,而不是之后。
在加工方面,塑料比陶瓷更宽容一些。由于这些零件中的大多数都是注塑或挤压并切割成一定长度的,因此通常不需要后处理。但是您可能有一个需要一些不同的东西的应用程序。在这些情况下,制造所需的最终形状的塑料绝缘硬件往往更容易,因为加工塑料可能会带来其自身的复杂性。大多数加工过程会加热塑料并导致不必要的变形和翘曲。一些塑料会着火。其他人可能太脆和折断。一般来说,最好在购买塑料绝缘硬件时获得所需的形状。
与他人相处融洽
由于大多数硬件的弹性或可压缩性很小,因此它们与其他热界面材料结合使用。在表面不是非常光滑的情况下,可以使用更顺应的材料与绝缘硬件一起使用,以消除表面之间的气隙。导热硅脂可能不具有特定应用所需的电气隔离级别,将放置在硬件的两侧,以最大程度地减少任何气隙。这为应用提供了高导热性和表面之间的高电气隔离。在某些情况下,间隙垫或间隙填充器等材料应与硬件一起使用,尤其是在应用可能存在冲击和振动问题的情况下。在这些情况下,绝缘硬件热接口材料最好与另一种热接口材料类型一起使用。
可重复使用的硬件
硬件,只要没有损坏,就可以像任何其他硬件一样重复使用。只需小心地从一个应用程序中取出,然后将硬件安装到新的组件中即可。但是,如果您将硬件与润滑脂等其他热界面材料结合使用,则需要清除润滑脂并更换以用于硬件的新应用。
热垫和薄膜
导热垫和薄膜是用于将热量从一个表面传导到另一个表面的薄材料。这些界面材料也是远离热点散热的理想选择。除了少数导热垫和薄膜外,所有导热垫和薄膜都是柔性材料。与填缝剂一样,导热垫、薄膜和箔片通常被切割成标准设备尺寸或针对特定应用的定制形状。
导热垫通常由比填缝剂硬度更高的硅胶基材料制成。与填缝剂一样,硅胶垫也掺杂了更多的导电材料,如氧化铝或氮化硼。此外,导热垫由玻璃纤维或其他材料增强,以增加材料的抗撕裂性。这使得导热垫成为热接口硬件的坚固且合规的替代品。
热敏薄膜 通常由聚酰亚胺制成,聚酰亚胺是一种透明的热固性聚合物,具有出色的电隔离性能。您还会听到它被称为其品牌名称Kapton。薄膜可以由其他材料制成,例如石墨,我们稍后会介绍。
电气隔离
并非所有导热垫和薄膜都被认为是电绝缘的。对于那些电绝缘的人来说,它们正成为比绝缘硬件更受欢迎的选择,因为它们具有柔韧性、重量轻和极薄的特性。这对于继续将更多功率和组件封装到更薄设备中的消费电子产品尤其有利。如果您有高功率应用,并且需要一定程度的灵活性或符合您的热界面材料,则导热垫或导热膜是首选。
石墨垫和薄膜
石墨薄膜是导热垫或薄膜一般规则的例外。石墨垫由一堆石墨烯片层叠而成,因此热量和电很容易在片内键合在一起的碳原子之间传播。石墨烯片不会牢固地结合在一起,因为碳键已经在石墨烯平面中形成,而不是在石墨烯平面之间形成。 虽然在沿其平面传播热量方面非常出色,但与其他薄膜和焊盘相比,石墨薄膜相对脆弱和脆。它们也是非电绝缘的,因为电子可以很容易地穿过石墨结构。
话虽如此,石墨界面材料可以有效地替代导热膏或润滑脂。虽然我们将介绍相变材料,但当您的应用未达到相变材料的熔融温度时,石墨材料是一种有用的材料。石墨材料具有耐高温性,因此可用于温度超过200°C的应用。 在超过200°C的极端温度下,应考虑将石墨薄膜置于真空环境中。这将防止石墨膜内的碳氧化。石墨薄膜用于高达GHz范围的EMI屏蔽,具有出色的衰减性。
这些薄膜不可重复使用,因为压力会使石墨粘附在其接触的每个表面上。当由石墨垫连接的表面彼此去除时,石墨垫粘在表面上,但沿着垫的石墨烯的各个层剥离。
导热垫和薄膜的可重复使用性
由于一些垫子含有硅胶,它们类似于间隙填充热界面材料,如果将它们压缩超过某个点,它们会保持轻微压缩。幸运的是,大多数导热垫具有高硬度,并且需要很大的力来变形垫的形状和厚度。这使得导热垫成为理想的可重复使用的热界面材料。
当我们考虑可重用性时,电影更像是硬件。通常,如果热敏膜完好无损且没有折痕,则它可以像热硬件一样重复使用。如果薄膜有折痕,可能会产生不需要的气穴。
导热胶带
导热胶带是一种常见的界面材料。导热胶带的一侧或两面具有粘性,因此可以仅粘在一个表面上,也可以将两个表面连接在一起。这通常是使用压敏粘合剂完成的,您需要在表面之间压缩以获得热敏胶带可以提供的机械粘合。热敏胶带与日常普通双面胶带之间的最大区别在于,它们是使用高导热填料和聚合物专门配制的。
有些导热胶带只是粘合剂。它们被放置在衬里或载体上,以便在它们进入应用之前将它们保持在薄片或卷中。如果切割和处理不当,这些无基的导热胶带可能很难正确操作和应用。如果导热胶带的任何部分开始粘在某物上,则很难在不拉伸粘合剂的情况下取下胶带。这就是为什么很大一部分导热胶带都有基材的原因。这些载体通常是导热膜,粘合剂涂在一侧或两侧。
不用担心那个失去螺丝
导热胶带可以减少对小型设备和散热器的安装硬件的需求,这些设备和散热器通常安装在一起。如果您在设计和旋转电路板后发现电路板上的小型设备需要一些热管理,这将特别有用。您可能没有空间安装硬件,但您仍然可以用一些热胶带将散热器贴在设备上。
世界的重量
如果您有重型应用或尝试应用于表面的散热器,您可能需要重新考虑为您的应用使用导热胶带。较大散热器的重量可能会压倒导热胶带的机械强度。高水平的振动或冲击也可能压倒导热胶带的粘合力。虽然导热胶带具有一定程度的机械强度,并且在紧要关头表现良好,但它们通常不是粗糙应用的最佳热界面选择。坚持使用热敏胶带进行较小的应用。
我被困在你身上
如果热敏胶带正在工作,则不可重复使用。他们想坚持你坚持他们的东西,不让他们走。有一些技巧,例如加热粘合剂,然后尝试将表面拉开以用热胶带拆卸组件。或者某些粘合剂需要某种溶剂或清洁剂来帮助去除表面上的任何残留物,这会破坏胶带的粘合能力。将导热胶带从其应用表面上剥离通常会使它们不均匀且作为未来应用的热界面材料无效。表面需要清洁,需要贴上新胶带。但是导热胶带相当容易应用,因此不一定排除需要返工或维护的应用使用导热胶带。
相变材料
相变材料是一种有趣的热界面材料类型。它由具有特定熔化温度的蜡物质组成,通常在 50-65°C 之间。 当材料从固体转变为液体时,材料的温度始终保持在其熔化温度,因为它会吸收热量。这为表面之间的温度控制提供了出色的效果。一旦相变材料吸收了其熔化潜热,即完全熔化固体所需的能量,那么相变材料将在液态下开始升高温度。
许多相变材料沉积在高导热基材上,该基材也安装在应用中。有些人在安装之前和安装期间使用热膜或铝箔来固定材料。其他相变材料在两侧都有薄膜,因此当您安装蜡质材料时,两侧的薄膜被去除,只留下表面之间的相变材料。
渗透到每一个角落和缝隙
当相变材料被加热到特定温度以上时,它会熔化并流入它之间的表面之间的任何现有角落和缝隙中。相变热界面材料甚至可以去除最微小的气穴,并在表面之间提供非常低的界面电阻。因此,在相变第一次熔化后,您可以指望在传递热量的表面之间始终保持低热阻。
我们将克服这个艰难的补丁
由于相变材料变成液体,它可以进入其他热界面材料无法完全进入的一些狭小空间。这也意味着它可以轻松处理更粗糙的表面。有瑕疵、粗糙斑点或任何不完美的表面都可以从使用相变材料进行传热中受益。不过,间隙填充物仍然是巨大身高差异的最佳选择。需要添加大量的相变材料,以占用与间隙填料相同的体积。
必须爱泉
与导热硅脂一样,相变材料在首次应用于表面之间后会变薄。随着蜡熔化并填充任何可用的空隙,该材料现在是表面缺陷,不再增加材料的厚度。这就是为什么相变材料应与弹簧加载安装方法一起使用的原因。弹簧力将在相变材料处于液态时对其进行压缩。该力有助于使材料变薄,从而降低界面电阻。所有这些都有助于改善表面之间的热传递。
更换相变材料时易于清理
像导热硅脂一样,相变材料是不可重复使用的,但也不会像油脂那样一团糟地清理掉。与润滑脂不同,相变材料在冷却时会恢复为更坚固的形式,从而更容易刮掉表面。异丙醇等典型清洁液也可用于清洁蜡状相变材料,而无需对表面进行其他处理。
热环氧树脂
热环氧树脂是最坚固的热界面材料。热环氧树脂与其他环氧树脂的不同之处在于与树脂混合的导热填料。一些环氧树脂使用导热陶瓷颗粒,而另一些则使用小金属颗粒。像其他环氧树脂一样,有一部分和两部分树脂可以混合并应用于将表面连接在一起。使用的环氧树脂类型通常取决于连接在一起的材料。
具有多种材料的强度
环氧树脂可以做大多数其他热界面材料所没有的事情;热环氧树脂在其固化的表面之间产生牢固的机械粘合。这使得热环氧树脂既可以作为热界面材料,也可以作为安装方法。在某些情况下,这有助于减少产品或应用中使用的安装硬件数量。这就是为什么我们可以用环氧树脂制造散热器,我们称之为环氧树脂粘合散热器。
潜在的运输限制
热环氧树脂不可重复使用。像任何其他环氧树脂一样,一旦设置热环氧树脂,形成并附着在表面上的聚合物键就不会轻易断裂。这就是为什么在确定热环氧树脂适合您之前,您应该考虑可能需要对产品进行返工的原因。如果您需要对具有环氧树脂表面的设备进行维护,您将很难绕过散热器,甚至更难将其移除。
虽然市场上有溶剂可以去除特定的固化树脂,但它们是实验室或车间通常不会有的专用产品。有时你只需要把你的环氧树脂粘合带到节目中,然后看到或铣掉你一起环氧树脂的东西。当你在环氧树脂键的一侧有一个精致的电路板时,这当然是不可取的。
在环氧树脂固化之前,您确实有一些回旋余地来重新定向和重新安装环氧树脂粘结表面。这个时间取决于所用环氧树脂的温度、湿度和固化时间。如果您需要重做某些事情,清理未固化的环氧树脂通常更容易,因此您需要在混合环氧树脂之前确定自己在做什么,并在环氧树脂开始固化时确定。
具有多种材料的强度
构成热环氧树脂的树脂和固化剂中可能含有一些相当挥发性的化学物质。这就是为什么在运输未固化的环氧树脂时可能会有一些运输限制。未固化的热环氧树脂可能需要陆运,因为空运可能会带来空运公司不想管理的风险。
热接口总结
呼!这是关于热界面材料的大量信息。因此,不要对每种材料的所有选择和细微差别感到不知所措。Boyd拥有一群精通热界面材料选择和应用的工程师。