电子电路板上高达 55% 的故障是由热量引起的。温度升高的结果将影响集成电路中有源和无源器件的工作。如果温度升高足够大，被加热的有源或无源器件可能会工作不正常，甚至完全失效。此类故障包括热失控、结点失效、金属化失效、腐蚀、电阻漂移和电迁移扩散。因此，最大限度地减小电子封装中的任何温升至关重要。
什么导致电子封装中的温度升高？
功率密度和电流水平增加： 对更高性能处理器的永无止境的需求导致所有细分市场（如移动设备、高性能台式机以及服务器和工作站）的功耗持续攀升。微处理器中不断增加的功率密度和电流水平已成为主要热源，并引发了对芯片热点以及封装和互连焦耳热效应进行热管理的担忧。
PCB 表面元件密度更高： 电子电路板热管理的另一个担忧原因是，电子行业正见证着手持设备和家用电器日益轻薄和小型化的趋势。这就是为什么 PCB 变得更加紧凑，电子 PCB 上元件之间的空间越来越近，使得热量更难从 PCB 组件中传递出去。
如何管理 PCB 上产生的热量？
电子封装中热管理的目标是有效地将热量从封装传递到周围环境。热管理功能中的主要冷却方法围绕基本传热模式——即传导、对流和辐射——而技术发展正从单相传热转向多相传热。热均温板（vapor chamber）、冷板和射流冲击等冷却技术已经彻底改变了热管理领域的未来。
为了冷却电子电路板，通常结合使用多种传热方法来优化散热效率。最常见的是热传导与热对流相结合。
传导冷却： 通过直接接触将热量从较热部分传递到较冷部分。
对流冷却： 由于两个表面之间的相对速度而产生的热量传递。
因此，有效冷却的热传递取决于许多因素。其中，从热源表面到散热器（heat spreader）以及散热片（heat sink）之间的热传导效率主要决定了整体散热效率。
导热界面材料 (TIMs)
谈到两个直接接触表面之间的热传导现象：
由于存在微观凸起，电子元件的任何工程表面在微观层面上都是粗糙的。当两个这样的粗糙表面在电子封装组装过程中接触时，实际接触只发生在少数离散的点上，通常是在两个配合表面的高点。
通常，实际接触面积与表观接触面积之比约为 1-2%。周围的间隙充满了导热系数极低（~0.026 W/m·K）的空气，这大大降低了整体传热效率。
导热界面材料 (TIMs) 是插入两个表面之间以取代气隙的材料，即旨在增强它们之间的热耦合。
尽管 TIMs 的导热系数通常低于基材（通常在 1-7 W/m·K 之间变化，特殊情况下甚至更高），但它仍比空气高许多倍（38-270 倍）。同时，它们具有高度的顺应性，能够贴合相邻粗糙表面的几何形状。
探索导热界面材料 (TIMs) 的常见类型
如何选择合适的 TIMs？
合适的 TIMs 由您的封装设计决定，以便可以选择具有所需特性的特定材料来满足您的要求。以下是选择合适导热界面材料 (TIMs) 时需要考虑的一些因素：
PCB/电子设备的温度范围： 硅胶类 TIMs（例如导热填隙垫）的额定使用温度通常高于非硅类界面材料。
热源与散热器之间的间隙大小？ 通常，TIM 越薄越好，但由于配合表面永远不会完全平整，可能需要最小材料厚度以适应不平整问题。
导热系数 (W/m·K)： 衡量材料传导热量的能力，与其厚度无关。导热系数是一个体测量值，可用于比较 TIMs，但它并不能描述 TIM 在应用中最小化接触热阻的能力。
热阻 (°C·cm²/W 或 K·cm²/W)： 这是以 °C·cm²/W 或 K·cm²/W 为单位测量的重要规格参数。它是一个特定应用指标，衡量两个配合表面之间的温差与通过它们的稳态热流之比。热阻通常随安装压力和接触面积的增加而降低，但随 TIM 厚度的增加而增加。
配合表面的平整度： 对于确定材料类型很重要。若两个表面都平整，导热膏或薄膜将是理想选择，但这种情况很少见。塑料 IC 的中心通常是凹陷的，如果散热器非常平整，接触区域将仅限于外围，中心会留下气穴。
电气绝缘性 (kV)： 有时需要电气绝缘。硅基 TIMs 以及较厚的材料（如填隙垫）提供此特性。较薄的相变材料和导热膏可能不是可靠的绝缘体。石墨是导电的。
可压缩性： 当处理不规则表面（如覆盖多个元件时）时很重要。如果对硅基 TIM 施加热量和过大的压力，导热凝胶等可能渗出并沿着 PCB 迁移。没有足够的压力，界面处可能存在过大的热阻。
UL 阻燃等级： 许多 TIM 应用需要 UL 阻燃等级要求。大多数此类材料都提供 V-0 等级，这将满足大多数需求。
含硅或不含硅： 硅胶是一种具有宽工作温度范围的优异导热材料，但某些应用（例如太空）由于其释气性/挥发性而不能使用。
易用性： 附着方法是成本和性能的考量。大多数小型散热器使用双面导热胶带固定。较大的散热器需要安装硬件。粘合剂可以添加到导热材料的一侧或两侧。然而，添加一层粘合剂会增加热阻。在制造环境中的易加工性？ 当必须拆除散热器时，返修的难易程度如何？一些填隙垫可以重复使用，但相变材料和导热膏必须更换。
除了材料特性外，设计人员还应考虑自动化装配过程，以及在制造过程中将某些解决方案集成到 PCBA 或外壳中的难易程度。导热界面材料有固体和液体两种形式。这为设计人员提供了一定的灵活性，可以选择最适合其组件、应用和装配工艺的材料。
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