导热界面材料的导热原理:通过填充空气间隙优化热传导

随着电子产品性能的不断提升，发热问题已成为限制产品性能和可靠性的关键因素。为解决这一难题，导热界面材料（TIM）应运而生，其能有效填充集成电路板和散热器之间的微小空隙，建立良好的热传导通道，使产品实现更出色的散热效果。本文将详细探讨TIM的工作原理，并通过优化填料选择，进一步增强TIM的散热性能。

TIM 填充空气间隙以改善热传导

在IC和散热器的表面看似平坦的情况下，微观层面存在着凹凸不平和制造划痕等问题，导致它们之间微小气隙的存在。由于空气是出色的热绝缘体，这些气隙导致IC产生的热量无法有效传导到散热器，从而影响设备的散热性能。TIM通过填充这些不规则表面之间的空气间隙，创造出良好的导热路径，有效地将热量从IC释放到外部。

TIM 的导热系数取决于填料的物理性质和密度

TIM的主要成分通常为软树脂或硅胶，因为它需要足够软以填充表面的不规则之处。然而，由于树脂的导热系数较低，因此需要添加填料来增强TIM的整体导热系数。导热系数的变化很大，取决于填料的物理性质和密度。氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）和氧化铝（Al2O3）是导热片中常用的典型填料。

TIM中的热传递通过填料的接触点进行，如下所示。通过更密集地填充填料可以获得更好的性能。

下图清晰展示了热导率与填料比例之间的关系，当填料体积占比超过80%时，TIM的导热系数显著提升。

如何提高填料填充率

为了提高TIM的填充率，可以通过使用较小直径的球形填料填充较大直径的球形填料之间的间隙。这类似于将大的圆形石头放入瓶中，再用较小的卵石和沙子填充间隙以提高填充率。理想的填料形状是均匀的球体，因为不均匀的形状无法实现高填充率。先前的研究表明，导热系数还取决于填料的粒径和比例。

在TIM中使用的各种材料的导热系数相对于其相应的耐水性、毒性和成本值都是重要因素。在电子设备中，这些因素都是不可忽视的，因此氧化铝通常被选用作陶瓷氧化物，而氮化铝则作为氮化物的优选填料。

通过科学选择和优化TIM的填料，我们不仅能够显著提升电子产品的散热效果，还能够大幅增强其性能和可靠性。TIM作为热管理的关键组成部分，为电子设备在高温环境下的可靠运行提供了可行的解决方案。通过深入了解TIM的散热原理和优化填充方法，我们能够更好地应对电子设备中的热管理挑战，提高设备的性能和可靠性。