電子包裝密度的增加帶來了對精確熱管理的需求。因此，對于電氣工程師來說，選擇熱界面材料（TIM）是影響高功率CPU、GPU和功率轉換器可靠性的設計參數。

因此，工程師在選擇TIM時必須權衡結合線厚度（BLT）、表面潤濕性、介電需求和機械應力緩解等權衡。本常見問題解答概述了在緊湊型設計中指定熱膏、焊盤、相變材料（PCMs）和粘合劑的決策標準。

問：什么時候應該指定導熱膏和散熱墊？
答：在導熱膏和焊盤之間的選擇，取決于熱傳導和制造重復性的需求。導熱膏（潤滑脂）通常用于高功率應用（如服務器CPU和GPU），當散熱片與元件在壓力下緊密接觸時。關鍵是潤滑脂能提供高表面潤濕性。

如圖1所示，金屬外殼和散熱器表面的微觀粗糙度會產生空氣空隙，延緩熱傳遞。導熱膏矩陣是可流動的，使其能夠潤濕這些表面并排開界面內的空氣。

圖1。接口接觸的示意對比。非流動溶液如焊盤可能會留下微小的空隙，而潤滑脂則完全濕潤表面。（圖片來源：道康寧)

導熱膏的技術特性：

• 導熱膏的BLT可達7–20微米。由于熱阻與厚度成線性比例，因此更薄的層能降低阻抗，支持最高的熱通量密度。

• 然而，導熱膏容易發生“泵出”現象，即材料因熱膨脹循環而從界面遷移出來，重工需要復雜的清潔過程。

另一方面，導熱墊通常用于內存模塊、VRM和具有可變元件高度的PCB材料。它們是預先腌制且不可流動的。雖然符合要求，但它們不像潤滑脂那樣徹底潤濕表面（見圖1），通常需要更高的安裝壓力以降低接觸電阻。此外，焊盤有效彌合大于0.5毫米的間隙，并在緊湊型組件中提供電氣隔離。

問：我的設計沒有空間放機械夾。我有哪些選擇？
答：在超緊湊電子領域，由于Z高度限制，無法使用螺絲、夾具或彈簧夾，導熱膠（TCA）是一個可行的選擇。TCA既提供熱界面，又作為緊固件的結構替代品，具有雙重功能。

如圖2所示，聚合物基體具有熱絕緣性。換句話說，熱傳遞依賴于填充顆粒形成一條連續的導電路徑，連接元件與散熱器。

圖2。TCA中的熱傳遞依賴于填充顆粒在絕緣環氧基體內形成滲透網絡。（圖片來源：MDPI)

填充物選擇涉及介電需求：

• 電氣絕緣：如果短路存在風險（例如橋接線路），應指定陶瓷填充劑，如氮化硼、氮化鋁或氧化鋁。

• 導電性：此外，為了不需隔離的熱性能，會使用銀等金屬填充劑。銀納米顆粒同時增強了熱導率和剪切強度。

重工考慮：值得注意的是，三氯酸聚合形成交聯結構。雖然這形成了一種抵抗機械沖擊和振動的永久粘結，但也意味著重做變得困難。試圖分離用TCA粘接的散熱片可能會使硅片分層或損壞PCB板。

問：對于容易出現“泵出”現象的高可靠性設備，有什么解決方案？
答：對于需要潤滑脂低熱阻和墊片穩定性的應用，通常會指定PCM。PCM是室溫下的蠟狀固體，在特定的軟化溫度（通常為45–60°C）時轉變為液相。

在液態時，PCM會像潤滑脂一樣潤濕界面表面，從而最大限度地減少接觸阻力。圖3展示了壓縮力與熱阻抗之間的關系。在相變過程中施加壓力時，材料流動，從而降低BLT和阻抗。

圖3。隨著壓縮力的增加，熱阻降低，BLT也隨之減少。（圖片來源：沃爾特電子公司)

其中一個關鍵優勢是泵送阻力。與導熱膏不同，導熱膏在熱循環過程中會因芯片與散熱片之間的CTE不匹配而遷移，PCMs在器件冷卻時會重新凝固。這種重新凝固為材料加固，隨著時間推移減少空洞和干燥問題。注意，重工需要加熱界面以軟化材料，然后再去除。

問：什么時候應該用縫隙填充劑代替普通墊片？
答：間隙填充劑設計時間隙范圍從0.25毫米到5毫米，適合公差較寬或零件高度變化的組件。例如，用一個散熱片覆蓋GPU、顯存和MOSFET。

仔細觀察圖4可以發現間隙填充物是可整合的。它們設計用于在相對較低的壓縮力下承受10%至70%的撓度。這種低模量特性通過吸收振動相關的機械應力保護精密部件，防止焊接點或元件引腳在汽車ECU等應用中損壞。

圖4。間隙填充劑通過撓曲（10-70%）來適應不同元件高度，保護脆弱的焊點免受應力。（圖片來源：萊爾德)

雖然對機械可靠性有益，但厚度增加通常導致整體熱通量能力低于薄潤滑脂或PCMs。重整通常干凈，類似于導熱墊。

摘要

導熱膏的熱阻最低，但容易被泵出，而導熱墊則簡化組裝并填補較大縫隙。導熱膠作為結構粘合劑，機械緊固件無法使用，盡管它們限制了重做選項。

PCM結合了低熱阻和泵送輸出穩定性，間隙填充器則能提供較大公差以保護敏感元件。評估具體應用需求確保TIM的最佳選擇以實現長期可靠性。