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熱界面材料中的界面熱阻變化影響因素及其重要性分析

東超 2025-02-26 | 閱讀：492

一、熱阻相關(guān)專業(yè)術(shù)語解析

1. 熱阻（Thermal Resistance）

熱阻是描述材料或界面阻礙熱量傳遞能力的物理量，單位為℃/W。其定義為：單位功率下材料兩端的溫度差，即 ( R = Delta T / P )。在熱界面材料（TIM）中，熱阻由材料本身的熱導(dǎo)率、接觸表面的微觀空隙及填充效果共同決定。

2. 接觸熱阻（Contact Thermal Resistance）

當(dāng)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于表觀面積，間隙中的空氣（導(dǎo)熱率僅0.0263 W/m·K）會顯著阻礙熱傳遞，形成接觸熱阻。通過填充高導(dǎo)熱率的TIM（如硅脂、凝膠），可降低這一熱阻。

3. 體熱阻（Bulk Thermal Resistance）

由TIM材料的厚度和導(dǎo)熱率決定，計(jì)算公式為 ( R = t / (k cdot A) )，其中 ( t ) 為厚度，( k ) 為導(dǎo)熱率，( A ) 為接觸面積。優(yōu)化材料厚度與導(dǎo)熱率是降低體熱阻的關(guān)鍵。

4. 熱導(dǎo)率（Thermal Conductivity）

單位為W/(m·K)，表示材料傳導(dǎo)熱量的能力。例如，空氣的熱導(dǎo)率極低，而東超新材研發(fā)的DCN-6000BH導(dǎo)熱粉可使凝膠導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)6.2 W/m·K。

二、界面熱阻變化的影響因素

1. 材料熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率是決定體熱阻的核心參數(shù)。例如，東超新材通過復(fù)配高導(dǎo)熱填料（如氧化鋁、氮化硼）實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)提升，從而降低整體熱阻。

2. 表面粗糙度與填充效果

接觸面的微觀空隙會引入空氣層，顯著增加熱阻。TIM需具備高流動性和填充能力，例如導(dǎo)熱凝膠可緊密貼合凹凸表面，減少空隙率。

3. 填料粒徑與分散性

粒徑分布影響導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成。東超新材的DCN-6000BH導(dǎo)熱粉通過控制D99≤60μm的粒徑和表面改性技術(shù)，提升填料堆積密度和分散性，減少界面缺陷，從而降低熱阻。

4. 溫度與壓力條件

高溫或循環(huán)溫度變化可能導(dǎo)致材料老化，如TIM在-55~125℃下的穩(wěn)定性測試顯示其熱阻變化需可控。此外，裝配壓力影響接觸面積，壓力不足會導(dǎo)致熱阻上升。

三、熱阻在熱界面材料中的重要性

1. 保障設(shè)備穩(wěn)定性

在AI芯片、新能源汽車電池等高功率場景中，熱阻過高會導(dǎo)致局部溫度驟升，引發(fā)性能下降甚至故障。例如，AI數(shù)據(jù)中心40%的能耗用于冷卻，低熱阻TIM可顯著降低能耗。

2. 延長器件壽命

熱阻過高會加速電子元件老化。東超新材的導(dǎo)熱硅膠墊片（導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)13 W/m·K）通過高效散熱，可延長電池組壽命。

3. 推動技術(shù)創(chuàng)新

低熱阻材料是微型化、高集成度電子設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵。例如，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的新型TIM通過超低熱阻，使芯片散熱效率提升30%。

四、東超新材的低熱阻導(dǎo)熱粉解決方案

1. 粒徑優(yōu)化與表面處理

東超新材的DCN-6000BH導(dǎo)熱粉通過將粒徑控制在D99≤60μm，并采用硅烷偶聯(lián)劑改性，減少團(tuán)聚現(xiàn)象，提高填料在基體中的分散性，從而構(gòu)建致密導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，熱阻降低20%。

2. 復(fù)配技術(shù)提升導(dǎo)熱通路

采用球形氧化鋁與片狀氮化硼復(fù)配，利用大粒徑填料搭建導(dǎo)熱骨架，小粒徑填料填充間隙，實(shí)現(xiàn)高填充率（>80%）和低熱阻（<0.1℃·cm2/W）。

3. 多場景應(yīng)用適配

針對新能源汽車電池、AI芯片等不同需求，開發(fā)專用導(dǎo)熱粉體：

- 導(dǎo)熱凝膠：DCN-10K9系列，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)13 W/m·K，抗開裂性能優(yōu)異。

- 硅膠墊片：DCF-6500R系列，厚度0.51mm，柔性貼合復(fù)雜表面。

4. 環(huán)保與可靠性設(shè)計(jì)

材料通過UL94 V-0阻燃認(rèn)證，并在極端溫度循環(huán)測試中表現(xiàn)穩(wěn)定，滿足工業(yè)級耐久性要求。

五、未來趨勢與測試驗(yàn)證

1. 熱阻測試技術(shù)

接觸熱阻測試儀通過結(jié)構(gòu)函數(shù)分析熱流路徑，量化TIM的熱阻貢獻(xiàn)，為材料優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

2. 新材料探索

石墨烯、金剛石等高導(dǎo)熱填料的復(fù)合應(yīng)用，或?qū)⒊蔀橄乱淮蜔嶙鑄IM的突破方向。

熱界面材料的熱阻控制是電子散熱領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。通過材料創(chuàng)新（如東超新材的導(dǎo)熱粉解決方案）與工藝優(yōu)化，可顯著提升散熱效率，推動AI、新能源等行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。未來，結(jié)合先進(jìn)測試技術(shù)與新型填料復(fù)配，熱阻的進(jìn)一步降低將釋放更多技術(shù)潛力。