热界面材料（TIM）
理论：填充缝隙材料的热阻
概述
CPU和散热器都是平整的金属，为什么还要涂硅脂？
看起来平整，但表面有细微的凹凸。叠在一起时真正接触的只是一小部分面积，其余是空气缝隙。空气导热系数约0.026 W/(m·K)，是金属的几千分之一。用导热能力比空气高几十倍的材料填满这些缝隙，就是热界面材料（TIM）。硅脂本身导热远不如金属，所以目的是“填充”，涂得越厚反而越糟。
热阻公式
$R''$ 为单位面积热阻（mm²·K/W），BLT 为涂层厚度（粘结层厚度），$k_{TIM}$ 为导热系数，$R''_c$ 为材料与表面之间的接触热阻，$Q$ 为发热量，$A$ 为面积。它是厚度除以导热系数的部分与接触热阻部分之和，层越薄接触热阻所占比例越大。
主要种类
| 种类 | 特点 | 主要用途 |
|---|---|---|
| 导热硅脂 | 能涂得很薄；长期会渗出或干涸 | CPU、GPU |
| 相变材料 | 常温为固体，工作温度下软化并变薄 | 功率模块 |
| 导热垫 | 吸收大缝隙和高度偏差；操作方便 | 电路板上多个元件 |
| 焊料、金属 | 热阻极小，但易因热膨胀差开裂 | 高发热芯片 |
发现热流中的“缝隙”
两块金属压紧的界面上温度呈台阶式跳变的现象，在20世纪中叶针对飞机、火箭结构和核反应堆燃料棒进行了深入研究，因为燃料与包壳之间的微小缝隙会大幅影响温度。后来建立了由表面粗糙度、压紧力和材料硬度估算接触热阻的公式。20世纪90年代以后电子设备发热增加，同样的问题出现在CPU上，TIM的开发迅速推进。
算例
例1：不同材料的温差
在100 W、1 cm²（10 mm见方）发热条件下，求各材料的热阻和温差。单侧接触热阻假设为：硅脂和相变材料1、导热垫5、焊料0.5 mm²·K/W。
| 材料 | 导热系数 | 厚度 | 热阻 | 温差 |
|---|---|---|---|---|
| 导热硅脂 | 3 W/(m·K) | 25 μm | 10.3 mm²·K/W | 10.3 K |
| 相变材料 | 5 W/(m·K) | 25 μm | 7.0 mm²·K/W | 7.0 K |
| 导热垫 | 6 W/(m·K) | 0.5 mm | 93.3 mm²·K/W | 93.3 K |
| 铟焊料 | 86 W/(m·K) | 50 μm | 1.6 mm²·K/W | 1.6 K |
导热垫的导热系数是硅脂的2倍，温差却是9倍。
因为厚度是20倍。热阻等于厚度÷导热系数，只比较导热系数没有意义。导热垫适合同时冷却高度不同的多个元件，但不适合100 W级芯片。要比较包含实际厚度和接触热阻的热阻，而不是目录上的导热系数。
例2：硅脂厚度
| 厚度 | 热阻 | 温差（100 W、1 cm²） |
|---|---|---|
| 10 μm | 5.3 mm²·K/W | 5.3 K |
| 25 μm | 10.3 mm²·K/W | 10.3 K |
| 50 μm | 18.7 mm²·K/W | 18.7 K |
| 100 μm | 35.3 mm²·K/W | 35.3 K |
导热系数3 W/(m·K)的硅脂，只改变厚度。从25 μm增至100 μm，温差约为3.4倍。压紧力不足、表面翘曲或填料颗粒大都会使层变厚。若结到环境的热阻预算为0.65 K/W（100 W，允许温升65 K），25 μm硅脂约占16%，100 μm约占54%。
例3：什么都不涂
金属直接压紧时的接触换热系数取决于表面粗糙度和压力，常在2,000～10,000 W/(m²·K)左右。换算为热阻是100～500 mm²·K/W，100 W、1 cm²时温差为100～500 K，无法使用。涂上TIM可降低一个数量级以上。
分析与设计方法
CAE中的建模
- 作为热阻给定：把几十μm的层划分网格会大幅增加单元数。通常作为两个面之间的接触换热系数 $h_c = 1/R''$ 给定。
- 实测厚度：组装后厚度随涂布量和压紧力变化，用截面或厚度规确认。
- 注意面内扩散：发热区域小时，除TIM热阻外，均热板内的扩散热阻也会增大。
应对老化
- 温度升降使芯片和散热器伸缩，把硅脂挤出（泵出）。评估温度循环试验后的热阻。
- 长期高温使用会使油分析出变干、热阻上升。用寿命末期的数值确认余量。
- 焊料会因热膨胀差产生裂纹和空洞，用截面观察或超声检测确认。
“涂得越多越凉快”
自己组装电脑时常争论硅脂涂多少。多涂似乎更放心，但拧紧散热器后多余部分大多被挤出，在合理范围内差别不大。真正的问题恰恰相反：压紧力不足导致层仍然很厚，或涂得太少留下空气缝隙。量产时用机器控制涂布量，有时组装后还会用X射线检查有无空隙。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只按导热系数选 | 厚材料温度升高 | 按含厚度的热阻比较 |
| 忽略接触热阻 | 薄层热阻被低估 | 使用实测热阻 |
| 直接输入目录值 | 预测温度低于实际 | 在组装状态下测量校准 |
| 只用初始值设计 | 几年后温度上升 | 用老化后数值确认余量 |
| 忽略发热区域大小 | 漏掉扩散热阻 | 按实际发热分布分析 |
我想自己试算热阻。