系统散热问题“元凶”接触热阻？定义、影响因素、应用案例
🎓作者简介：科技自媒体优质创作者
🌐个人主页：莱歌数字-CSDN博客
💌公众号：莱歌数字（B站同名）
📱个人微信：yanshanYH
211、985硕士，从业16年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。
熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件，解决问题与验证方案设计，十多年技术培训经验。
专题课程
Flotherm电阻膜自冷散热设计（90分钟实操）
Flotherm通信电源风冷仿真教程（实操）
基于FloTHERM电池热仿真（瞬态分析）
基于Flotherm的逆变器风冷热设计（零基础到精通）实操
站在高处，重新理解散热。
更多资讯，请关注B站/公众号【莱歌数字】，有视频教程~~
本期给大家带来的是关于利用界面导热材料降低接触热阻研究内容，希望对大家有帮助。
我们之前分享过很多类似关于散热设计、热阻、导热材料等相关的文章，当元器件与散热器两个刚性材料接触时，其硬面材料的表面结构、粗糙度、以及安装方式、应力、平行度等各方面的因素影响其接触热阻大小。
本期，我们探讨的是关于界面导热材料对降低接触热阻的影响分析。
每一个电子设备和电路不可避免会产生的热量。
一般来说，元器件或设备部件的温度取决于组件到环境的热阻，以及组件耗散的热量。
为了确保组件温度不超过其最大工作温度，工程师试图寻找从设备到环境的有效传热路径。
这种传热路径可能从元器件到PCB，再到散热器，然后由风扇提供的空气流动，并最终发散到周围环境中。
接触热阻
对于两个相互接触的物体之间的传热，即传导，这些物体之间的界面将会发生温度下降，这种温度的变化可能归因于所谓的接触热阻。
接触热阻是由于表面粗糙度效应、缺陷和界面错位所产生的空隙，界面中的空隙中充满了空气所导致。
因此，传热包含实际接触区域的传导以及间隙的传导（或自然对流）和辐射。
如果粗糙表面接触面积很小，界面间隙是影响接触热阻的主要因素。
为了降低接触热阻，可以在增加界面压力的同时降低表面粗糙度。
然而，这些改进的方法对电子设备并不一定实用。为了改善这些限制，通常使用界面导热材料，即TIMS。
适当应用用具有较高导热系数的界面导热材料（TIM）取代了存在于两个物体之间隙中的空气。
空气的导热系数为0.022W/m·K，TIMs的导热系数为1W/m·K及更高。
在选择TIM时，必须注意使用制造商提供的导热系数。
然而，这些提供的导热率并没有考虑到界面接触热阻，如图1所示。
图1.界面材料的热传导率和热阻的说明
因此，如果一个TIM具有较高的导热系数，这并不意味着界面接触热阻会较低。
TIM的选择基于三个参数：TIM必须填充的界面间隙、TIM的接触压力和热阻。接触压力是施加在两种材料之间的界面上的压力。
表1、2和3分别显示了TIM前面提到的三个参数。该选择不包括材料的成本。
表1.基于界面间隙尺寸的选择
表2.基于接触压力的选择
表3.根据介电强度进行的选择
在经过表1、表2和表3之后，可能的TIM类型的选择将会缩小。就热性能方面而言，相变材料、环氧树脂、导热胶垫的热性能和应用场景比较广泛。
需要导热界面材料的可以联系我，后台私信、或加微信yanshanYH。
应用案例
一般来说，随着热阻的增加，为解决整体散热问题，所选用的高导热界面材料的价格也会上涨。查看导热的整体热阻图，并进行评估。
考虑到图3 (a).中所示的应用程序不同高度的部件通过散热器和TIM将其热量传递到环境中，选择间隙填充材料。
图3.散热器的热阻网络图
热阻图如图3(b)所示，从组件到空气或环境的热阻是导热材料的热阻RTIM、散热器底座扩散热阻、Rsp和散热器Rhs的热阻之和。
从元器件到空气的传热可以用公式(1)计算。
元器件的温度可以通过公式(2)来计算。
表5.冷却设计方案和TIM选择对组件温度的影响
表5显示了TIM热阻为1、3 K/W，散热器热阻为1.5和10 K/W的组件温度的计算结果。
从表5可以看出，使用自然对流冷却散热器，案例1和案例2，不同TIM材料的温度提高了16ºC，温度提高了12.4%。
案例3、4可以看出，虽然强制对流的情况下，散热器的温度上升与自然对流冷却散热器相同，但它导致温差占比上升到26.2%。
表5还显示，TIM的热阻百分比因总热阻的不同而不同。
总之，在选择TIM时，为了进行有效的设计，TIM须根据设计的总热阻值进行评估。
总结
虽然市场上有许多不同的TIM类型，但每一种都有自己的应用领域和优缺点。本文还根据TIM填充的界面间隙、接触压力和热阻等因素，提供了TIM的选择表。
当在两个或多个相同TIM类型的TIM产品之间进行选择时，设计者须查看总体设计的热阻，以便选择合适的TIM。
参考文献
电子组件热管理手册
一本传热教科书
电子设备热管理解决方案