第7章 导热界面材料的选型设计

通常，按单位重量计算，硅脂的单价高过其他常见导热界面材料。但由于施加的厚度小，单个元器件所需硅脂重量很小，故其实际成本反而较导热衬垫、导热凝胶等更低。

2. 导热衬垫

导热衬垫（Thermal Pad）又称为导热硅胶片、导热硅胶垫、导热矽胶片、软性导热垫等，以固态形式呈现，如图 7-4 所示。

导热衬垫是以硅胶为基材，添加金属氧化物等各种辅材，通过特殊工艺合成的一种导热介质材料，能够填充缝隙，完成发热部位与散热部位间的热传递，同时起到绝缘、减振、密封等作用。一种极佳的导热填充材料。

导热衬垫厚度适用范围广，是

优点：

5）具有安装、测试可重复使用的便捷性。

缺点：成本相对较高；热阻相对较大；需要较大应力。

注意，目前一些超高导热系数的碳纤维导热衬垫不具备电绝缘性。而且，由于碳纤维导热衬垫是通过碳纤维的定向排列实现的高导热系数，材料的导热系数会随压缩率的变化而变化。当压缩率太高时，内部的定向排列被打乱，其导热系数会降低。通常推荐碳纤维导热衬垫的压缩率不高于 40%。另外，碳纤维导热衬垫水平方向的导热系数低于厚度方向，在大尺寸垫片场景中需要考虑这一点。

3. 导热相变材料

相变材料（Phase Change Material，PCM）是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变化材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程。散热行业中，导热相变片是由高导热、低熔点的材料制成的，其在室温下装配时以固态片状形式呈现，可方便地贴至元器件和散热器之间，如图 7-5 所示。

当产品运行、元器件发热升温、相变片所处温度到特定值时，材料变化成类似硅脂的半固态，从而填充元器件和散热器之间的微观缝隙，降低接触热阻。

相变材料的优缺点类似硅脂。但有测试表明 PCM 的性能稳定性表现较硅脂而言更加优异。

另外，相变材料在热应用中经历了从固态到半固态的转变，高功耗瞬间冲击状态下，相变材料可以通过自身相变吸热，从而避免元器件温度的突增。由于这一特征，当前相变材料在热设计领域的应用已经突破了界面材料这一单一使用场景。在消费类电子产品中，已有产品在使用相变微胶囊作为填料做成的储热片或储热胶来控制瞬间高功耗带来的快速温升 \(^{[1]}\) 。

4. 导热双面胶

导热双面胶（Thermal Tape）又称为导热胶带，兼具导热和绝缘特性，且柔软可压缩，可填补不平整的表面，如图 7-6 所示。相对于前述的导热硅脂、导热衬垫和导热相变片，导热双面胶两面涂覆了强黏性的导热胶，能够在不使用机械结构紧固件的前提下牢固地将散热片黏合到发热元器件上。

优点：用法便捷，将导热双面胶置于发热片与散热片之间，加力压紧，散热片即被牢牢固定在发热片上。

缺点：热阻较大；有脱落风险，对粘接的表面要求高，印刷和电镀的表面不宜用。

5. 石墨片

导热石墨片（Graphite Sheet）非常薄，仅十几或几十微米（厚度越薄，平面方向的当量导热系数越大），如图 7-7 所示。但石墨片弹性很小，一般而言，较少用于刚性界面之间，

而是利用其平面方向的高导热性消除局部热点。石墨片散热效率高、占用空间小、重量轻，在终端等电子消费类产品中应用广泛。

优点：导热系数高；材料比较薄；性价比高；平面方向导热性能强，可有效均热。

弱点：不绝缘；材料脆。

常规的硬质石墨片由于压缩率很低，只能贴附在结构件表面用来均热，而柔性石墨膜则可以直接充当导热界面材料。柔性石墨膜如图 7-8 所示，其可靠性高、热阻低，而且操作便捷、可重复使用，但是目前价格较高。

6. 导热胶水

由于操作便捷，导热胶水（Thermal Glue）

广泛用于小尺寸电子产品中，用来将散热部件粘贴到元器件上，如图 7-9 所示。导热胶水通常配合促进剂丙烯酸酯一起使用，从而加速固化。

优点：

缺点：

从应用角度上比较，倾向于使用导热胶水而不是导热双面胶。这是因为：

7. 导热凝胶

导热凝胶（Thermal Gel）分为单组分和双组分两类。单组分胶又分为施加后可固化和不可固化两类，双组分胶一般施加后会固化，如图 7-10 所示。固化后的凝胶其特征与导热衬垫非常类似。某些情况下导热凝胶又称导热填缝剂（Thermal

Gap Filler)，其导热系数一般在 2\~6W/(m・K)。2018 年已有公司研制成功 10W/(m・K) 的超高导热电绝缘凝胶。导热凝胶可以弥合相对较大的高度公差，且自身可压缩性极好，当材料无法承受较大压力时，选用这一界面材料较为安全。

导热凝胶优点如下：

其缺点如下：

8. 导热灌封胶

导热灌封胶多为双组分胶，可固化。严格意义上讲，灌封胶不属于界面材料，因为它会充满整个模块的空间。灌封胶在未固化前属于液体状，具有流动性，胶液黏度根据产品的材质、性能、生产工艺的不同而有所区别。灌封胶完全固化后才能实现它的使用价值，固化后可以起到防水防潮、防尘、绝缘、导热、保密、防腐蚀、耐温、防振的作用，如图 7-11 所示。因此，对于独立运用的封闭模块（不限于电源模块），灌封胶是极佳可靠的物料。

灌封胶广泛用于户外电源模块、充电适配器、变频器以及其他有防水、密封及导热要求的盒体中。在之前，动力电池包也曾灌注导热灌封胶来强化散热以及保障安全性。

导热灌封胶优点：

缺点：

注意，施加导热灌封胶后固化，而在灌封的过程中有可能卷入气泡，导致固化后内部存在气孔，从而影响其导热效果。因此，建议在真空中进行灌封操作。至少需要在灌胶前对胶体进行抽真空除气。

7.3 导热界面材料的选用关注点

界面材料的选用，需要综合界面材料的特点和具体应用场景而定。作者结合设计经验，从内外两个方面对界面材料需要考虑的因素进行总结。

7.3.1 材料自身属性

当获取一款新的界面材料时，需要关注以下属性，方便后续选用：

压力。例如，产品线装配时，由于加速度的存在，螺钉瞬时压力往往大于其稳定后对导热材料施加的压力。如果衬垫没有回弹，则装配完成后，衬垫与后安装上去的结构件之间将产生间隙，造成较大的接触热阻。再比如，应用在汽车中的导热材料，当车身受到颠簸或撞击时，界面材料也将受到冲击，如果这些材料无回弹，则也可能产生间隙，造成设备过热。

9）环保认证。

的灌封胶。高导热系数的凝胶有时会出现点胶困难，高导热系数的硅脂则会出现涂抹困难。另外，材料的黏度还会随温度、应变速率的变化而变化，其与工程层面的结合，需要具体问题具体分析，以求得最合适的热效果和满意的生产使用性。

图 7-12 所示为灌封胶固化。

18）工作温度范围。所有的导热界面材料都有自身合适的工作温度范围，需要确保所用的界面材料在其紧贴的发热源可能出现的任何温度下性能都有保证。

19）工作状态挥发难度。

硅胶中存在的低分子硅氧烷在硅胶固化时和软化后都会挥发，这除了会导致界面材料本身性能变化之外，在一定外部条件作用下，这些硅氧烷还可能生成具有绝缘特性的二氧化硅，导致电接触故障。另外，导热硅脂中的可挥发性硅油挥发后，可能在透明固体介质表面形成雾斑。因此，高端的 LED 使用的硅脂必须进行特殊处理，以避免后期硅油挥发导致透光面起雾，影响光照效果。

20）减振吸声效果。

21）抗热冲击性能。

22）渗油特性。界面材料内硅油渗出影响外观，在一些光学器件中还会影响透光性。

7.3.2 应用场景因素

界面材料归根结底是降低热量的传导难度，材料最终选用哪个型号，需要将材料属性和问题特点结合起来考虑。以下为散热问题甄选界面材料时建议使用的问题定位清单：

7.4）导热界面材料的实际运用

7.4.1 导热硅脂的实际运用

从导热硅脂的特性可以看出，它的热阻很低，目前绝大多数功率密度极高的元器件，如 CPU、GPU 和 IGBT 等都不得不使用导热硅脂作为界面材料，如图 7-13 所示。

导热硅脂的主要功能性缺点有两个，一是有效厚度太薄（约 0.08mm），无法弥合大容差；二是绝缘性能较差。

无法弥合大容差的缺陷会导致多芯片共用散热器时，使用导热硅脂有较大风险。如图 7-14 所示，在笔记本电脑中，GPU 和 CPU 功率密度都很高，必须使用硅脂作为界面材料。这种情况下，硅脂虽然不具备弥合高度差的能力，但连接两处芯片的热管却具备柔性，因此硅脂也可使用。

除了在消费类电子产品、服务器和电力电子产品中有大量应用之外，LED 行业使用硅脂也非常广泛。将硅脂涂抹于基板背侧，然后贴装散热器，可以很好地降低散热器与基板之间的接触热阻，优化 LED 灯珠的散热。

7.4.2 导热衬垫的实际运用

导热衬垫具备很广的导热系数范围，但目前通常使用的导热衬垫的导热系数为 \(1 \sim 3 \mathrm{~W}/(\mathrm{m} \cdot \mathrm{K})\) 。衬垫的应用领域相对硅脂而言更加广泛，几乎所有类别的电子产品中都有导热衬垫的应用。电源模块、新能源电池散热系统、通信设备、服务器、LED 散热以及工控、安防设备等中都有大量应用。导热衬垫的应用如图 7-15 和图 7-16 所示。

导热衬垫一般置于发热元器件与散热结构件之间，除了导热，它还可以吸波、绝缘、减振，在动力电池包中，它还可以起到阻燃作用。可以说，导热衬垫的功能已经超越了散热领域，成为一种重要的多功能材料。

导热衬垫的一个巨大优势是它拥有很好的柔软度，可以弥合一定程度的高度差。即使芯片高度不同，也可借由其柔性吸收高度差，共用散热结构件，如图 7-17 所示。

7.4.3 导热填缝剂的实际运用

导热填缝剂（Gap Filler）是另一种应用比较成熟的导热界面材料，通常指那些施加后可固化的导热凝胶，目前广泛用于新能源汽车、通信设备等高端电子产品散热。导热填缝剂在使用之前呈膏状，在使用后数小时或数十小时内固化，成为类似导热衬垫的固体物质。因此兼具低应力和高稳定性的优点。同样，由于使用前呈膏状，因此填缝剂可以使用在那些凹凸不平的区域而不会产生太大的应力，这一特征使得它在多元器件共用散热器的场景中更有优势（见图 7-18）。凝胶与芯片、散热结构间之间的结合相对导热衬垫而言也更加严密，因而可以在相同厚度、相同导热系数的前提下做到更低的热阻。填缝剂性能非常稳定，主要缺点是目前导热系数相对导热衬垫而言要低一些。

导热填缝剂还可以实现更高程度的机械化操作。与必须人工贴装的导热衬垫不同，填缝剂可以通过配置点胶机实现完全的自动化，如图 7-19 所示。

7.4.4 石墨片的实际运用

石墨片的特点是平面方向上导热系数极高，同时密度很小。石墨片主要用于手机、平板和超薄电视中，它可以在极小的空间占有量下有效消除局部热点，如图 7-20 所示。

7.5）导热界面材料选用的复杂性

本章上述内容仅仅解读了当前常用的界面材料的常规选型考虑因素。这对普通的设计要求当然足够，但要赢取顶级设计赞誉仍是不够的。作为热失效最可能的两个因素之一（另一个是动力部件，如风扇或泵），导热界面材料在高可靠度、高复杂度产品中的选用需要考虑更多。下面用导热衬垫的选择来举个例子。

导热衬垫是应用最广泛、也几乎最稳定的导热界面材料，但其在应用端仍可以带来许多潜在的并且非常复杂的问题：

7）在长期使用过程中，衬垫的力学性能会有什么变化？

8）在高低温不断转换的实际使用中，衬垫的热胀冷缩会对产品带来什么影响？

9）衬垫本身的电气性能是否会因力的变化而产生影响？

10）界面材料本身是一个混合物，上述所有变化在材料本身微观层面上如何理解？粉体与基材之间的结合状态有何变化？带来的效果是什么？

11) ……

这些问题揭示了导热材料的选型实质上是一个热 - 力 - 电 - 磁 - 材料深度耦合的课题。随着 5G 及物联网的发展，导热材料的电磁属性正被越来越频繁地提及（导热吸波材料正成为时下热点材料）。导热系数、密度等表观参数仅仅是最基本、最

简单的因素。

界面材料仅是热设计中一个基本物料，在电子产品公司材料库中，其甚至常常被归为辅料这种看名字几可忽略不计的类型，其难度已然如此，热设计的综合性由此可见一斑。

7.6 本章小结

导热界面材料是热设计中非常关键，但又常被非专业人士认为不重要的物料。界面材料的选择和使用实际涉及许多非热学专业的知识：材料学、力学、表面腐蚀、吸波屏蔽、导电或绝缘等。界面材料的选择充分体现了理解产品需求的重要性。热设计工程师需要建立这样一个意识：物料本身没有优缺点，只有是否适合，必要时甚至可以创造一种材料，实际效果是唯一的衡量标准。

参考文献

第〇章

风扇的选型设计

从传热学理论中可以看出，提高对流换热系数能够有效强化换热，而通过加剧流体的流动（提高流速）能够有效提高对流换热系数。风扇就是一个被设计来加剧空气流动的部件。

电子散热领域常用的风扇有轴流风扇（Axial Fan）和离心风扇（Centrifugal Fan）两类，如图 8-1 所示。轴流风扇的进风口与出风口平行，特点是风量大、风压小、噪声小，适合风阻低但风量需求大的场合；离心风扇则是风扇的进风口与出风口垂直，风量小、风压高，适合风阻大风量需求小的场合。工业中还有混流风扇（Diagonal Fan，又称斜流风扇或贯流风扇（Tangential Fan）。

在选用风扇时，需要关注的核心参数如下：

强迫风冷的产品中，风扇的选型是热设计方案的核心所在，涉及风道、散热

器、器件布局甚至软件控制等多方面方案的设计。

8.1 几何尺寸

风扇尺寸是选型中首先要确定的因素。通常来讲，风扇尺寸越大，动力越强，但由于它将占据更大的空间，因此在产品整体尺寸固定的前提下，这将会缩减其他组件的可用空间。设计中，风扇尺寸往往受到产品外形尺寸的约束，如 2U 高的服务器，服务器自身总高仅为 88.9mm，因此常用的轴流风扇长宽尺寸为 80mm，图 8-2 所示为风扇尺寸的定义。某些笔记本电脑，因为要把产品做薄，因此选用的离心风扇厚度往往也不超过 15mm，图 8-3 所示为轴流扇和离心扇的常用场景。

8.2 确定风量

如前所述，风扇强化换热的原理是加剧空气的流动，提高流动的空气与固体壁面之间的对流换热效率。风量（ \(m^{3}/s\) ）意指单位时间内流过系统的空气体积，表征风扇带来的空气扰动强度。因此，风量是选择风扇的关键参考因素。

确定风量依据的是热力学第一定律，即能量守恒定律。其边界条件如下：

1）主要元器件工作温度要求；