熱介面材料（Thermal Interface Materials，簡稱 TIM） 是一類用於幫助機械性接觸面（例如半導體器件和散熱器）之間導熱的產品。 雖然要接觸的表面可能看起來平坦，但仔細檢查會發現並非完美，例如工具痕跡、翹曲或不完全平坦的表面、表面孔隙等，這些缺陷阻礙了兩個表面在大部分配合表面區域上的實際物理接觸，使得機械接口的熱阻遠高於基於表觀接觸面積的預期。熱介面材料的目的是使用比通常填充這些間隙的空氣具有更好導熱性的物質填充配合表面之間的間隙，以改善兩個表面之間的傳熱。 差異可能很大，因為典型的 TIM 的導熱性能比它們所取代的空氣要好大約 100 倍。 有多種適用於不同項目的產品可供選擇，本貼文的目的是提供可用選項的概述，並為選擇和使用 TIM 的過程提供資訊。
對於那些可能感興趣的人，根據所售產品的一致性，可以在 DigiKey 的兩個產品系列中找到所討論的此類產品。 流體狀、管狀產品之類，分類於「熱傳 - 黏合劑、環氧樹脂、矽脂、散熱膏」。固體狀、片狀產品之類，分類於「熱傳 - 墊、片」。以上兩者都歸納在「風扇、熱管理」產品索引。
圖 1.（從左到右）利用放大倍率逐漸增加的視覺，觀察市場上普遍使用的散熱器表面，顯示了形成粗糙表面的工具痕跡以及對熱介面材料的需求原因。
圖 2. 熱介面橫截面圖，其中包含不同組件的典型熱導率 ( k ) 值。
TIM 的類別和變化
導熱膏、凝膠、糊劑
圖 3. 導熱油脂系列中的各種產品。 （圖像非按比例）
導熱膏、凝膠、糊劑是一類以室溫流體形式生產的熱介面材料，通常具有類似於牛油或牙膏的稠度。 儘管其中一些產品的設計目的是在使用後固化或硬化成更強度的橡膠稠度，但亦有不少產品會在整個工作壽命中保持流動性。 該產品領域內的術語在實踐中並不是特別清晰或得到很好的指引，因此需要額外注意以了解任何有關產品的具體性質。 然而，一般來說，「導熱膏」是一種非固化產品，用於薄層，以幫助名義上平坦和光滑的表面之間的熱傳遞，而「凝膠」往往是一種以更大厚度使用的材料，用於填充不規則表面之間的間隙表面或彼此不直接物理接觸的表面。
這些產品的流體特性同時是它們的巨大優點和缺點。由於能夠在組裝過程中輕鬆流動，因此它們往往能夠容忍應用變量並適合自動化應用。 另一方面，與任何其他油膩物質一樣，它們處理起來非常混亂，並且是過程污染的現成來源。 眾所周知，這些材料（特別是矽基產品）的液化成分隨著時間增加會分離出來，之後使潤滑脂造成乾燥而影響功能，而留下固體成分是缺乏流動能力的硬殼物質，而可能受表面之間的運動而流動，例如可能由熱膨脹、振動等引起的運動。對於固化到更堅固稠度的產品來說，混亂的可能性仍然存在，儘管固化過程在很大程度上解決了乾燥問題，它往往會使任何返工、測試探測或對其應用區域的修復變得更加困難，特別是當所使用的材料具有很強的接著特性時。
此類產品通常不導電，但有些產品專門設計為導電，如果應用在橋接電路中不應連接的節點，則會導致問題。 雖然這些產品的典型應用不依賴於其電氣特性，但建議用戶注意這些特性，並考慮與電源前端節點接觸或用於介電特性可能影響電路性能的應用中的任何潛在影響。
相變材料（PCM）
圖 4. 相變材料的TIM 產品樣本。 （圖像非按比例）
相變材料是一類在相對較低溫度（通常在 55~65°C 左右）下從固體轉變為黏性液體的 TIM，通常用作潤滑脂類產品的替代品。 它們特有的相變特性可以方便地在室溫下以固體形式處理和加工材料，同時在升高的工作溫度下保持流體的順應性和潤濕特性。 相對於潤滑脂型產品，PCM 有許多有利的屬性； 它們在手動組裝過程中更易於處理，通常不會出現乾燥問題，並且可以預先應用於以後的組裝，同時提供與油脂型產品相當的熱性能。 相比於一般潤滑脂類產品，相變材料的缺點是產品成本較高及對誤用的容忍度較低。
PCM 有多種形式可供選擇，包括散片及捲裝、由預先切割成符合特定設備外型形狀、如除臭噴劑形式用於搓擦、以及可分配的流體用於在初次使用後乾燥或硬化成固體相變材料。 片狀和已固定形狀型產品通常將 PCM 與其他材料結合起來，以提供所需的特性，例如改進的結構完整性以便於處理或可靠的電絕緣特性，此類產品通常被歸類為「導熱墊」或相似的東西。
黏合劑和灌封化合物
圖 5. 導熱黏合劑產品樣本。 （圖像非按比例）
導熱黏合劑是一種專門黏合的膠水，用於將物體黏合在一起的同時完成良好的導熱工作，並且可以作為壓敏片材或膠帶以及固化液使用。 相比之下，導熱灌封化合物主要用於保護性封裝，同時促進從系統內部到外殼的熱傳遞，並以流體形式出售。 最初為流體的產品一旦固化即可具有一系列機械和黏合性能； 有些幾乎很難黏在所塗的表面上，並且在固化後很容易剝離，有些表現出較中等的黏附力，而另一些則設計為永久黏附。 有些產品固化後具有柔軟的橡膠質感，很容易撕裂，就像堅硬的芝士一樣，而另一些產品則固化成相對堅硬且缺乏彈性的狀態。
高階材料
圖 6. 石墨類 TIM 產品樣本。 （圖像非按比例）
一類相對較新的基於碳形式的熱材料（稱為熱解石墨）具有熱異向的有趣特性。 其特性根據測量材料的方向而變化。 通過其厚度，一塊材料的導熱性能與大多數 TIM 一樣好。 然而，其面內導熱性能非常好，大約是鋁的 3 至 8 倍。 基材本身像薄片一樣非常柔韌，具有適度的導電性，並通過各種層壓和復合工藝進行調整，以製作成適合以下將會介紹各種「導熱墊」概念的不同產品，具有不同的導電特性，機械和黏合性能。 由於其獨特的品質，這些石墨類材料非常適合在便攜式消費設備以及需要高度工程熱管理解決方案的另類應用的嚴格限制中傳遞熱量。
到底什麼是「導熱墊」？
電子領域中「導熱墊」的概念有點模糊； 該術語的使用和理解似乎是指出於多種原因可能放置在發熱設備和散熱器之間的大多數非流體物質或物體。 然而，它覆蓋了許多不同的產品類型，它們具有不同的用途並且不可互換。 粗略地說，它們分為三類：
1. 當表面之間的電氣絕緣不重要時，設計需要接合良好表面的材料。 這些產品的目的是促進熱傳遞，僅此而已。 當遇到「墊」時，這些材料通常是相變材料 PCM，以散裝片材或卷材形式出售，有時或會預先切割以吻合特定的 IC 封裝。 它們熱性能相當於潤滑脂型產品，而且不會造成混亂，並且通常是所提供的最薄的墊型材料。
圖 7. 不需要電絕緣 TIM 的應用例子。
2. 當表面之間的電絕緣很重要時， 設計需要接合良好表面的材料。 這類材料通常是複合材料，由電絕緣材料層壓或兩側塗有熱傳遞材料組成。 當設計要求熱傳遞路徑不導電時，人們就會使用它們，以免造成不良效果。 它們的平均厚度比它們的非絕緣同類產品厚一些，它們的形狀相似，一般很難根據產品外形來區分。 然而，在熱學方面，非絕緣 TIM 往往比電絕緣 TIM 的性能高，可達 2 - 5 倍，因此，如果可以合理避免電隔離的需要，則不推薦使用。 另外，這些產品實現最佳熱性能所需的夾緊壓力要求相當高，使系統的機械應力耐受性成為可實現的熱性能的一個因素。
應該注意的是，這產品主要功能是在零件封裝和安裝表面之間提供電絕緣，但是如果它們的成分至少給出了促進熱傳遞的附帶認可，有時最終會被歸類為導熱墊。 雲母絕緣體經常與導熱膏結合使用以降低介面熱阻，TO-3 金屬封裝中電晶體底部常見的雲母絕緣體就是一個常見的例子。
圖 8. 常用電絕緣 TIM 的應用例子。
3. 設計需要接合不良表面的東西。 這些設計用於填補大而不規則的間隙，例如 PCBA 板上零件和機殼壁之間的間隙，由此產生的熱傳遞性能比較未填充氣隙產生的熱傳遞性能更好。可是，「比較更好」並不一定是代表「好」。 它們是合規的固體材料，未壓縮厚度可達 10 毫米或以上，在需要更輕鬆地重新進入、返工或流暢地裝配的情況下，可以選擇它們來代替導熱凝膠或灌封化合物。 由於這些產品通常需要填充的間隙大小，因此包含它們的介面的傳熱性能通常是此處描述的三類「導熱墊」中最差的。 它們不應該在需要接合良好表面之間使用。
圖 9. 可能使用間隙填補材料的應用的剖視圖。
TIM 選擇準則
電氣絕緣特性
如果在選擇 TIM 時已能決定使用電絕緣熱介面，則可以很快縮小選項中產品列表。 雖然許多 TIM 本身並不是特別好的電導體，但它們也缺乏可靠地防止接合表面之間直接接觸所需的機械性能； 薄薄的一層膏很難成為不可穿透的壁，當施加夾緊力時，成形或加工過程中留下的毛刺、脊或碎片很容易穿透軟 / 薄的材料。
在這種情況下，常見的解決方案是使用材料的組合； 一個提供電絕緣屏障，另一個提供熱介面功能。 從經驗得知，兩面帶有矽基導熱膏的雲母絕緣體是一種常見的解決方案，儘管後來出現了具有改進的處理和熱性能的新型材料並成為首選。 這些產品可能由陶瓷玻璃纖維修補劑和各種聚合物、聚酰亞胺 / 矽橡膠層壓板以及類似的解決方案組成。
機械因素
材料厚度
理想的 TIM 厚度是完全填充配合表面之間的空隙和空間，而不在它們之間產生任何不必要的分離。 在標稱平坦和光滑表面的情況下，適當的材料的未壓縮厚度往往約為 0.02 英寸（0.5 毫米）或更小，而設計用於不規則表面或間隙填充應用的材料通常要厚得多。這些間隙-填充應用傾向於根據要填充的間隙的極值來選擇基材厚度；需要足夠厚的材料來填充最大間隙，而不需要過大的力將其擠壓到系統中最薄的間隙中。對於固體焊盤型間隙填充材料，將材料壓縮到位所需的力可能會導致電路板彎曲，從而導致零件損壞、焊點故障或其他類似的不良情況。在製作時要考慮到這種可能性選擇間隙填充材料的厚度、成分和放置。
圖 10. （從左至右）不足、過量和理想 TIM 厚度的圖示
圖 11. 由於間隙填充材料過多而導致的電路板彎曲可能會導致零件損壞。
在薄材料情況下，平坦度 (flatness) 和表面粗糙度 (surface roughness) 規格為選擇理想的 TIM 厚度作出指引。較好的規格書同時提供這兩種數據，但一般只提供佔主導地位的平坦度規格。 由於通常不會指定任何表面曲率的確切幾何形狀，並且提供的值通常是限制最大值（代表實際值優於提供的數值），因此在大多數情況下很難計算最佳 TIM 厚度，並且可能需要進行一些實驗測試。 油膏類產品能夠在壓力下流動，通常塗抹得比需要的稍厚，並在塗抹過程中將多餘的部分從接縫中擠出，以確保潤滑脂徹底潤濕所塗抹的表面。 油脂層厚度等於兩個表面平整度規格的總和是一個不錯的出發點，這應該可以最大限度地減少因過度塗抹而造成的混亂。
墊式固體材料需要更多的考量； 由於是非流體，多餘的材料不會簡單地從接頭側面溢出以方便組裝後擦拭掉。 另一方面，可用的材料厚度往往更加量化，並且可用的選項受到製造商產品的限制。 考慮材料的表現和配合表面的幾何形狀，並選擇足夠厚的 TIM 來填充間隙。 如果使用相變材料呢？ 該材料可以根據需要自行熔化和重新分佈，因此，為油脂型產品建議的平坦度總和規格指南是一個合理的出發點，前提是應用將達到材料的熔化溫度，並且在以下情況下可以保持夾緊力：確實如此。 如果使用電絕緣 TIM 呢？ 這些通常是電絕緣體的層壓板，兩側都有更合適的 TIM，並且絕緣體的厚度不會計入配合表面之間的填充間隙。 使用表面幾何信息根據材料的共形非電絕緣層的厚度作為材料選擇的準則。 在這種情況下，共形層厚度等於兩個表面的平坦度規格中較大者是一個很好的出發點。
請注意，上述建議假設表面平坦度規格遠大於粗糙度規格。 如果情況相反，則使用粗糙度規格，或者如果兩者的尺寸具有可比性，則使用粗糙度和平坦度之和。
圖 12. 表面粗糙度和平坦度圖示。
緊固方式
配接表面以機械緊固在一起的方式對 TIM 選擇有一定影響。 市場上已有包含黏合特性的 TIM，可以同時解決導熱和機械固定問題。 由於在沒有其他支撐的情況下簡單地將散熱器黏合到設備上，這會容易受到機械衝擊和振動的影響，因此，如果需要傳輸大量熱能（意味著大而重的散熱器）或在以下情況下，不建議使用此方法：預計會出現嚴重的推擠或振動。
另一種機械緊固方法是使用螺紋緊固件。 雖然熟悉且有效，但需要注意細節才能在初始裝配期間和整個使用壽命期間實現一致的夾緊壓力。 螺絲硬件也往往相對昂貴且裝配起來很麻煩； 這些孔需要在三維空間中準確對齊，通常在百分之幾英寸（~1mm）或更小範圍內，並且涉及許多小零件，在需要保證配合表面之間的電氣絕緣的情況下更是如此。
圖 13. 使用螺紋緊固件的組件的分解圖
特別是當使用相變材料時，建議使用可變形墊圈來為緊固件系統提供超出螺栓本身拉伸所提供的額外彈性。 當材料首次加熱到熔化溫度時，相變 TIM 的有效厚度會隨著材料的流動而顯著收縮，並且當 TIM 液化時，在這種固態材料上適當扭轉的螺栓可能會鬆動。
用於熱傳遞目的的首選緊固裝置是某種形式的彈簧作用夾具。 一般來說，在這種情況下，它們能夠比螺紋緊固件保持更一致的夾緊壓力，並且可以設計成機械堅固，允許較大的組裝公差，並最大限度地減少在配合表面之間維持電絕緣屏障的難度。 特別建議將彈簧夾與相變材料結合使用，因為在首次加熱 PCM 超過其熔化溫度時，組件的厚度可能會有所變化。
圖 14. 使用彈簧夾的組件的分解圖
導熱率 (thermal conductivity) / 熱阻 (thermal resistance)
熱導率是材料的一種特性，與電導率類似，可描述為熱能穿過個體物質的容易程度，單位是功率除以距離和溫度的乘積，即是 W/m°C。 在其他條件相同的情況下（很少有這樣的情況……），導熱率較高的 TIM 會比較小的有更好地促進傳熱。 它是取決材料本身的屬性，而不是關於其尺寸大細。 儘管導熱率對於設計目的來說不太方便，因為需要增加選材的步驟才能獲得更有效的結果，但是，導熱率是比較不同材料的有用指標。
熱阻則相反； 它完全取決於特定零件的幾何形狀，並且對於設計目的來說非常方便。 將溫度單位除以功率（例如 °C/W），只需將熱阻值乘以流經該熱阻值的熱功率值，即可找到該電阻上產生的溫差。 因為它是一個與尺寸相關的數量，所以提供 TIM 零件編號引用的熱阻數據總是帶有某種形式的尺寸限定，有點像汽油等散裝材料的定價； 每升的報價與每加侖或每桶的報價不同。同樣，TIM 的熱阻值如果不表明該數字是指材料的是一平方英寸、一平方厘米還是一平方厘米，將會是毫無意義。通常，熱阻數值會在規格書中以有意義的術語來引用； 例如，專門為適合 TO220 零件封裝而切割的往往會引用使用標準 TO220 測試封裝測得的熱阻值。 當作為散裝卷材或片材出售時，傾向於按單位面積報價。 材料厚度也是一個因素； 雖然特定 TIM 零件編號引用的熱阻值可以預見地指的是該特定零件的厚度，但不能保證一定如此。
此外，所施加的夾緊壓力的大小會對提供 TIM 部零件編號所反映的熱阻產生重大影響。 雖然比較不是那麼直接，但汽油價格類比在這裡也適用，因為除了產品計量單位之外，還需要指定貨幣單位才能使價格有意義； 每升 10 的價格可能是好是壞，取決於談論的是津巴布韋還是美元。 然後，根據引用的熱阻數據對材料進行公平比較，需要兩個數據引用相同的樣本尺寸和夾緊壓力。 缺少提供以上兩個質量要求資料的任何一個時，TIM 的熱阻值基本上是毫無意義。
圖 15. 穿過材料的熱流示意圖以及熱導率和熱阻的計算。
隨著時間改變的表現
長期使用的應用和那些經常出現溫度偏移的應用（例如固態照明）需要考慮由於「過多」和「乾涸」等現象導致 TIM 性能隨著時間而降低的可能性。 「過多」是一種現象，其中 TIM 由於熱膨脹和收縮而被簡單地從介面中擠出，顯然，不再存在的 TIM 無法幫助熱傳遞。流體、油脂型易於流動的產品最容易受到影響，而無法流動的固體材料則不受影響。「乾涸」相當於喪失一致性，導致TIM 無法根據需要四處移動，以在配合表面膨脹和膨脹時保持與配合表面的接觸。同樣，油脂型產品是最容易受到影響的，尤其是矽基產品，因為容易乾燥而聞名。導熱油脂的通用、簡化配方包括將導熱物質（例如氧化鋁）研磨成非常細的粉末，並混合足夠的矽油以達到所需的稠度。 矽油（實際上是大量相關化合物的通用術語）具有在其所塗敷的表面上擴散的趨勢，這與毛細管力（許多液體在緊密的液體之間「芯吸」的趨勢）競爭。間隔表面以確定潤滑脂中的油最終到達的位置。在高溫和配合表面之間的間隙相對較大（根據各種來源，尺寸超過幾十微米）的情況下，潤滑脂的有機矽部分傾向於遷移出接頭，留下固體成分潤滑脂的使用無需流化劑，以促進介面材料響應於接頭的熱膨脹和收縮而移動。
易於應用 / 可製造
在生產使用中，與應用和組裝相關的成本可能會在熱介面的總解決方案成本中發揮重要作用。 提供鎖模力的必要性、二次固化操作、過程自動化的難易程度、所需的過程一致性程度等都會對裝配成本產生影響，不容忽視。 例如，具有適度散熱要求的應用可能會受益於使用導熱膠帶代替導熱油脂； 由於熱介面材料還提供機械連接，因此可以消除連接硬件的成本。 可以減少組裝時間，並且可以避免與周圍塗抹油脂相關的混亂。 膠帶產品本身的成本可能比少量導熱油脂高十倍或一百倍，並且性能不佳，但如果它性能足夠好，並且人工成本和附件硬件方面的成本節省補償了較高的產品成本，則膠帶產品可能會是一個不錯的選擇。
材料兼容性
材料兼容性問題很容易被忽視，因為它在許多電子應用中並不是一個主要問題。 然而，有時這是一個重大問題。 例如，許多氣體和濕度感測器可能因暴露於有機矽蒸氣而損壞，因此在同一外殼中使用基於有機矽的 TIM 是不明智的。 同樣，矽樹脂封裝的 LED 和塑料光學器件可能會因暴露於各種有機蒸氣而損壞，因此最好驗證與可能考慮使用的任何熱接著劑的兼容性。