(1)导热灌封胶，用于模块的整体封装；
(4)导热相变材料，在常温时处于固态，在吸收功率器件热量后，达到一定温度才融化为液态，因此可以很好地浸润固体界面，从而减少热阻，它既能吸收热量，又有良好的传热性，综合了导热硅脂和导热胶垫的优势，既解决了硅脂涂抹操作难的问题，也解决了导热胶垫因为厚度和界面热阻带来的导热效果的问题。
导热界面材料性能指标：
(1)物理指标：密度、颜色、阻燃等级、挥发等级、锥入度、游离度等；
其他导热界面材料：如导热硅凝胶则是一种凝胶状态的导热材料，通过把有机硅凝胶和导热填料复合在一起形成的一种具有导热性能的有机硅凝胶。它具有较高的导热系数和较低的压缩变形应力，容易操作，可实现应用时的可连续性自动化生产。它能解决导热硅脂性能可靠性差的问题，起到导热垫片的作用，且在某些性能方面，更优于导热垫片。其与导热垫片的比较如表1所示。表1导热硅凝胶与导热垫片的比较
1.2导热机理及导热填料
图2填料构成的导热粒子网络（通路）由于导热界面材料大多用于电子散热，因此一般要求其既绝缘又有较好的导热性。常用于导热填料的粉体材料有：Al2O3、AlN、BN、Si3N4、MgO、ZnO、SiC等，其导热系数如表2所示。
表2常用导热填料的导热系数(20℃)
(1)进一步研究超细亚微米及更细的高导热填料Al2O3，亚微米颗粒可以更好地填充到颗粒之间，不但有利于形成颗粒之间的导热通道，而且还可以降低界面接触热阻。
(2)提高结晶程度和颗粒形貌规整程度，不但有利于颗粒本身热导率，还可以降低黏度，增加填充率。
(3)研究复配工艺提高填充率和导热性能，即不同颗粒大小级配、不同形貌的复配。
(4)通过有效的表面改性，改善Al2O3和有机聚合物直接的浸润性，从而提升Al2O3填充率。
1.3国内外产业现状
1.4全球市场份额
传统的聚合物基热界面材料在所有产品中占比接近90%，相变热界面材料和金属基热界面材料占比较少，但份额逐步扩大。
图3全球热界面材料的市场规模(单位:百万美元)流动态的导热油脂用作导热材料，有利于使用过程中的自动化，并且其热阻很小，是当前市场份额最大的导热界面材料。
表4全球热管理市场规模(单位:百万美元)
1.5国内市场分析
1.6研究进展情况
1.6.1陶瓷
陶瓷同时具有高热导率和优异的电绝缘性，特别适用于要求电绝缘领域。在已报道过的陶瓷材料填料中，氮化硼(BN)具有非常高的热导率，正成为热管理应用中最有吸引力的研究对象。
1.6.2碳材料
碳材料，如石墨烯、金刚石、碳纳米管已经被证具有高的导热系数，因此采用碳材料作为导热填料有望大幅提高聚合物的导热系数，制备出高性能热界面材料，受到了国内外学者的广泛而深入的研究。
近年来，石墨烯由于其优异的力学性能和导热系数(理论值达到5000W/m·K)，成为热界面材料最为理想的填料，受到了国内外学者广泛研究。
1.6.3金属
1.6.4杂化填料
将两种不同种类、不同尺寸的导热填料进行复配，制备杂化填料，可以比一种导热填料更能提高聚合物的导热系数。例如，鉴于石墨烯与氮化硼具有良好的声子匹配性，孙蓉研究员课题组采用石墨烯与氮化硼进行复配，制备了一种石墨烯/氮化硼杂化填料。研究结果表明，这种杂化填料比单一的石墨烯或者氮化硼具有更高提高聚合物导热系数的能力。此外，也有其他研究者进一步证明了，氮化硼/石墨烯比单一填料具有更高的提高聚合物复合材料导热系数的能力。
1.6.5三维导热网络
2.界面热阻
自然界中任何能量的转移过程都存在动力和阻力，热传递是常见的能量转移过程，温度差是传热的内在动力类似于导电过程中的电势差，热流量类似于导电过程中的电流，热阻等效导电过程中的电阻，根据欧姆定律的数学表达式，人们定义了热阻的理论计算公式，单位为K/W：热阻=温度差/热流量。
2.1界面热阻影响因素
引起界面热阻产生最根本的原因是由于两个试件表面的粗糙体造成接触不完整，界面热阻的大小与试件的实际接触面积有关，主要影响因素有加载压力、界面温度、表面粗糙度、试件材料的机械特性和热界面材料性质等。
（1）表面粗糙度：接触表面的粗糙度对界面热阻有很大的影响，表面粗糙度越大，表面越不平整，实际接触面积越小，热量流经接触界面时收缩越严重，界面热阻越大。
（2）加载压力：当对接触试件施加压力时，接触界面的微凸体会产生变形，界面间隙变小，会增大试件的实际接触面积，载荷越大，微凸体的变形越大，界面热阻越小。
（3）材料的机械特性：在研究界面热阻时，主要考虑的是材料的硬度、弹性模量等机械特性。这些特性直接影响试件变形过程中实际接触面积的大小，从而对界面热阻产生影响。
（4）界面温度：界面温度主要影响接触试件的热导率、弹性模量和硬度等，从而影响界面热阻。
（5）界面材料：接触界面填充热界面材料能够减小接触空隙，增大实际接触面积，从而减小界面热阻。
2.1.1界面温度对界面热阻的影响
图5界面热阻随界面温度的变化曲线2.1.2加载压力对界面热阻的影响
载荷是影响界面热阻的另一个重要因素，界面热阻一般与加载压力成幂指数关系，其中幂指数的大小表明了加载压力对界面热阻的影响程度。
下图为两组不同粗糙度Al6061试件的界面热阻测试值随载荷的变化关系。从图中可以看出，载荷是影响界面热阻的一个重要因素，界面热阻的大小随载荷的增加明显地发生变化，载荷越大，界面热阻越小，因为载荷会使接触面上相互接触的粗糙体发生变形，随着界面压力的增大，接触表面发生弹性变形的粗糙体数逐渐增加，并且已经发生变形的粗糙体变形程度继续增大，两试件的实际接触面积也随之增大，从而导致界面热阻的减小。
图6界面热阻随加载压力的变化曲线从图中可以看出，不同均方根粗糙度的试件组合，粗糙度较大的界面热阻较大。随着界面压力的增大，界面热阻逐渐减小，但不同粗糙度试件的界面热阻测试值随载荷的变化趋势基本一致。加载压力小于2MPa时，界面压力对界面热阻的影响较小，表明此阶段的加载压力不足让大多数的微凸体产生变形，随着加载压力增大，试件表面发生弹性变形的粗糙体数逐渐增加，界面热阻随载荷的变化较显著，在2MPa到5MPa之间界面热阻与加载压力大致成线性关系，两组实验界面热阻测试值分别从10.77x10-4和6.65x10-4m2K/W减小到6.13x10-4和3.98x10-4m2K/W，变化幅度分别为43.1%和40.2%。随着加载压力的进一步增大界面热阻对载荷的敏感性有所下降，界面热阻与界面压力并非一直成线性关系，当载荷从5MPa增加到7MPa时，界面热阻的变化幅度分别为7.5%和11.5%。界面传热是一个比较复杂的过程，当界面压力达到一定程度时，接触表面的粗糙体将产生塑性变形，塑性变形会导致接触表面硬化，随着加载压力的逐渐增加粗糙体的硬化程度越来越高，导致粗糙体接触数目会逐渐趋于稳定，从而引起在较大加载压力时界面热阻值逐渐趋于平缓。
2.1.3石墨材料对界面热阻的影响
为了提高电子设备的热可靠性，除了使用散热性能优异的散热器外，为了减小传热过程中的界面热阻，一般会在芯片与基板、基板与散热器之间填充具有高导热系数的热界面材料。
下图为加入石墨材料后，粗糙度较小接触试件界面热阻测试值随载荷的变化关系，从图中可以得知，随着载荷的增加，界面热阻逐渐减小，载荷与界面热阻大致成线性关系，随着压力的增加，界面热阻对载荷的敏感程度下降。当加载压力为1MPa时，其界面热阻为1.25x10-4m2K/W，对比上图中无界面材料时的界面热阻7.44x10-4m2K/W，减小了83.2%。当加载压力达到7MPa时，界面热阻随着载荷的逐渐增加变化很小，其界面热阻为0.76x10-4m2K/W，相对于没有添加石墨材料时的界面热阻3.52x10-4m2K/W，减小了78.4%。主要原因是石墨具有较独特的晶粒取向，片层状结构可很好地适应任何表面，导热系数高达400W/(m·K)，其面内导热系数和垂直导热系数都优于绝大多数界面材料。石墨材料有效填补了接触界面的间隙，增加了实际的接触面积，从而导致了界面热阻的减小。
图7添加石墨片后界面热阻随加载压力的变化曲线2.1.4导热硅脂对界面热阻的影响
导热硅脂是用来填充芯片与散热器接触间隙的一种界面材料，其作用是用来向散热器传导芯片所产生的热量，使传热过程更加顺畅，保证芯片的热可靠性和稳定性。本实验所采用的是厚度为0.1mm的相变导热硅脂。
下图为加入导热硅脂后，粗糙度较小试件界面热阻测试值在不同加载压力下随界面温度的变化关系，从图中可以看出，加入导热硅脂可以显著的减小界面热阻，从实验结果中还可以得知在界面加入导热硅脂后，界面热阻随界面温度的变化几乎不变。载荷为4MPa且加热温度为60℃时，相比于无中间介质时界面热阻为4.3x10-4m2K/W，加入石墨片后界面热阻为0.96x10-4m2K/W，当热界面材料为导热硅脂时，其界面热阻为0.38x10-4m2K/W，相对于使用石墨材料，界面热阻减小了60.4%，说明具有流体性质的相变材料可以有效地减小界面热阻，主要原因是随着加热温度的升高，硅脂会发生相变，在接触界面流动，从而能有效的填充界面间隙。因此加入相变界面材料可以有效减小界面热阻，并且界面热阻对温度的敏感程度下降。
图8加入导热硅脂后界面热阻的变化曲线2.2界面热阻理论建模
从微观角度来说，固体真实的表面并不是绝对光滑，而是包含许多微小的波峰波谷，当两个物体相接触时，真实的接触只发生在小部分离散的粗糙体上，中间间隙部分为真空或空气。热量流经这些接触界面时会产生热流收缩的现象，从而会引起界面热阻的产生。随着电子器件的热流密度急剧增加，界面热阻会降低器件的传热效率，从而影响芯片的可靠性。
本章由单点接触热阻模型的基础上，应用接触力学的分析方法，推导界面热阻的计算公式，以及根据表面形貌理论和理想气体定律推导出带界面材料的界面热阻，对工程实践和科学实验中的界面热阻进行预测。
热量流经真实接触表面如图所示。
图9真实接触表面的热流收缩线2.2.1单点接触建模
热量流经接触界面时，热流线收缩只通过一些离散的接触点，整个接触面的热流可看作由许多相互平行的通过这些接触点对的单热流通道并联而成。对实际的接触界面做以下假设：（1）各单热流通道相互之间没有热量交换；（2）所有单热流通道处于相同的界面温差之下；（3）两个接触面的实际界面热阻是所有单点接触热阻并联的结果。热流通过固体表面单个微观粗糙体时，会产生收缩，如图所示。
图10单个粗糙体热流示意图2.2.2基于界面材料建模
由于芯片产生的热量传递到外部环境中需要经过数层接触面，为了减小导热过程中的界面热阻，一般会在芯片与基板、基板与散热器之间填充具有高导热系数的热界面材料，如粘合剂、相变材料和焊料等。通过建立含界面材料的界面热阻理论模型来预测界面热阻也是一种重要手段，具有流动性质的界面材料对界面热阻的作用规律，界面材料在两固体间的分布如图所示。
图11含界面材料的界面热阻示意图3.笔记本电脑散热系统
笔记本电脑内部空间狭小，其散热是一个非常系统和复杂的工程技术性问题。国内外大量学者对笔记本电脑整机进行了仿真分析，但没有考虑笔记本电脑内部组件接触传热时的界面热阻和界面材料对系统散热性能的影响，导致现有的笔记本电脑数值模型不够准确，并且提出的优化方案不够全面。因此，通过以上方法建立合理的界面热阻模型，对界面热阻进行准确的预测，逐渐成为工程设计中十分重要的环节。
3.1CPU的不同工作条件对热阻的影响
由于CPU、显卡和桥芯片产生的热量依次经过散热板、热管及翅片传递到外部环境中，本节主要考虑散热板与芯片的界面热阻。
图12热阻随CPU功率的变化关系3.2界面热阻对CPU散热特性的影响
图13CPU最高温度随界面热阻的变化关系3.3界面材料对系统散热特性的影响
从前面的分析可以得知，不考虑CPU与散热板的界面热阻时，CPU的最高温度为79.6℃，当界面热阻从1x10-4m2K/W增加至5x10-4m2K/W时，CPU的最高温度从88.2℃增大到119.9℃，相对于理想接触情形下，增加了50.6%。为了提高中央处理器、显卡和北桥芯片的散热效率，本节考虑在CPU、显卡和北桥芯片与散热板之间添加导热硅脂，降低传热过程中的界面热阻，提高芯片的散热特性，其中界面材料的厚度为0.1mm，导热系数为5W/(m·K)。加入热界面材料后CPU的最高温度为81.5℃，相对于无中间介质界面热阻为1x10-4m2K/W时，最高温度降低了6.7℃，相对理想接触情况下最高温度增大了1.9℃，主要是中间介质填补接触面的间隙从而减小界面热阻，但材料在传递热量过程中存在导热热阻。
表5不同工作条件下的温度分布
上表为系统在不同工况下组件的热耗和温度分布，其中工况Ⅰ为笔记本电脑的标准工作状态；工况Ⅱ为标准工作状态下考虑电池的热耗散；工况Ⅲ为标准工作状态下考虑光驱的使用；工况Ⅳ为CPU、显卡和北桥芯片在满负荷的工作状态；工况Ⅴ为笔记本电脑所有组件都满负荷运行。从表中可以看出，笔记本电脑在标准状态运行，内部组件的温度都比较低，当使用笔记本的电池和光驱时，两者的功耗对笔记本电脑内部功耗较高的组件温度有比较大的影响。工况Ⅴ相对于工况Ⅳ，CPU、显卡和北桥的温度分别上升了1.7、1.1和1.2℃，这是因为使用电池和光驱会导致系统内部的空气温度上升，从而降低空气与翅片的换热效率。
图14工况Ⅴ的热流传递路径3.4PCB板与CPU的界面热阻对系统散热特性的影响
后面的数值仿真，其边界条件以加入热界面材料后为基础。下图为CPU的最高温度随CPU与PCB板界面热阻的变化关系，从图可以看出，随着CPU与PCB板界面热阻的增大，CPU的最高温度逐渐上升，主板的最高温度逐渐下降。当界面热阻从0.5x10-4m2K/W增加至5x10-4m2K/W时，CPU的最高温度从81.7℃增大到82.9℃，PCB板的最高温度从65.9℃下降至64.9℃，两者整体的变化趋势比较小。这是因为CPU的86.6%热量主要通过热管和风扇对流换热被带走，只有10.9%的热量传导至PCB板，经自然对流被带走，所以CPU与PCB板的界面热阻对CPU的温度分布影响较小。
图15CPU最高温度随CPU与PCB板界面热阻的变化关系结束语
笔记本电脑内部空间狭小，其散热在工程实践中是一个比较复杂、系统的技术性问题，并且制约着更轻、更薄和性能更高的笔记本电脑的发展。如何通过选择新型合适的热界面材料，从而有效降低界面热阻，提高系统散热效率，对研究工程中传热问题有着重要的现实意义。
审核编辑：汤梓红
原文标题：基于笔记本电脑散热设计的热界面材料及界面热阻研究
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