熱界面材料中的界面熱阻變化影響因素及其重要性分析
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責任編輯：東莞東超新材料科技有限公司
發表時間：2025-02-25
一、熱阻相關專業術語解析
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）
當兩個固體表面接觸時，實際接觸面積遠小于表觀面積，間隙中的空氣（導熱率僅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材料的厚度和導熱率決定，計算公式為 \( R = t / (k \cdot A) \)，其中 \( t \) 為厚度，\( k \) 為導熱率，\( A \) 為接觸面積。優化材料厚度與導熱率是降低體熱阻的關鍵。
4. 熱導率（Thermal Conductivity）
單位為W/(m·K)，表示材料傳導熱量的能力。例如，空氣的熱導率極低，而東超新材研發的DCN-6000BH導熱粉可使凝膠導熱系數達6.2 W/m·K。
二、界面熱阻變化的影響因素
1. 材料熱導率
熱導率是決定體熱阻的核心參數。例如，東超新材通過復配高導熱填料（如氧化鋁、氮化硼）實現導熱系數提升，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
粒徑分布影響導熱網絡的形成。東超新材的DCN-6000BH導熱粉通過控制D99≤60μm的粒徑和表面改性技術，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
高溫或循環溫度變化可能導致材料老化，如TIM在-55~125℃下的穩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，壓力不足會導致熱阻上升。
三、熱阻在熱界面材料中的重要性
1. 保障設備穩定性
在AI芯片、新能源汽車電池等高功率場景中，熱阻過高會導致局部溫度驟升，引發性能下降甚至故障。例如，AI數據中心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。東超新材的導熱硅膠墊片（導熱系數達13 W/m·K）通過高效散熱，可延長電池組壽命。
3. 推動技術創新
低熱阻材料是微型化、高集成度電子設備發展的關鍵。例如，卡內基梅隆大學研發的新型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熱粉解決方案
1. 粒徑優化與表面處理
東超新材的DCN-6000BH導熱粉通過將粒徑控制在D99≤60μm，并采用硅烷偶聯劑改性，減少團聚現象，提高填料在基體中的分散性，從而構建致密導熱網絡，熱阻降低20%。
2. 復配技術提升導熱通路
采用球形氧化鋁與片狀氮化硼復配，利用大粒徑填料搭建導熱骨架，小粒徑填料填充間隙，實現高填充率（>80%）和低熱阻（<0.1℃·cm2/W）。
3. 多場景應用適配
針對新能源汽車電池、AI芯片等不同需求，開發專用導熱粉體：
- 導熱凝膠：DCN-10K9系列，導熱系數達13 W/m·K，抗開裂性能優異。
- 硅膠墊片：DCF-6500R系列，厚度0.51mm，柔性貼合復雜表面。
4. 環保與可靠性設計
材料通過UL94 V-0阻燃認證，并在極端溫度循環測試中表現穩定，滿足工業級耐久性要求。
五、未來趨勢與測試驗證
1. 熱阻測試技術
接觸熱阻測試儀通過結構函數分析熱流路徑，量化TIM的熱阻貢獻，為材料優化提供數據支持。
2. 新材料探索
石墨烯、金剛石等高導熱填料的復合應用，或將成為下一代低熱阻TIM的突破方向。
熱界面材料的熱阻控制是電子散熱領域的核心挑戰。通過材料創新（如東超新材的導熱粉解決方案）與工藝優化，可顯著提升散熱效率，推動AI、新能源等行業的可持續發展。未來，結合先進測試技術與新型填料復配，熱阻的進一步降低將釋放更多技術潛力。?
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