散热管理的新选择——导热垫片
Christine Zhang 发布于 22 March 2014
随着工业生产和科学技术的发展，人们对材料不断提出新的要求。在电子电器领域，由于集成技术和组装技术的迅速发展，电子元件、逻辑电路向轻、薄、小的方向发展，发热量也随之增加，从而需要高导热的绝缘材料，有效的去除电子设备产生的热量，这关系到产品的使用寿命和质量的可靠性。
以前常用的冷却方法有：自然冷却、通风或者使用更大的机壳。随着发热区域越来越广，产生的热量也越来越大，迫使电子设备厂商不得不采取更为有效的散热措施。热界面材料也就应运而生。
导热垫片就是热界面材料中的一种，广义上讲，是指能起传导热效果的片状物体，这样的物体可以是金属板、环氧导热片材、导热塑料、导热橡胶等；一般来说，我们将使用硅橡胶材质作为基础框架、填充导热物质的片状导热绝缘硅橡胶材料称为导热垫片，也称为导热硅橡胶。
导热垫片的优势
导热垫片作为热界面材料中的一种，其相较于其它热界面材料的优点是比较明显的。首先，导热垫片具有可压缩性，柔软且有弹性，对于低压力下的应用环境有缓冲和防震的作用；其次，导热垫片均有一定的自粘性，对于不需要高粘性的应用场合来说，不需要额外在导热垫片表面涂抹粘合剂；第三，导热垫片的厚度是可选择的，对于不同的间隙，可选择不同厚度的导热垫片，也就是说，导热垫片具有更为宽广的应用环境；第四，区别与导热硅脂、导热灌封胶及导热相变材料等其它热界面材料，导热垫片可以方便地重复使用，对于安装、测试非常重要；最后还要指出的是，导热垫片的导热系数是很稳定的，不会因为厚度的增减而影响热传导效果，这一点较之导热硅脂有很大的不同。
导热垫片的适用领域
从传热与辅助散热效果来看，导热垫片与其它导热材料区别并不大，如果有区别也只是由导热系数高低引起的。它们真正的区别在于不同的应用领域，或者说不同的应用部件。适合导热垫片的应用领域主要是：高速硬盘驱动器、PCB板、内存模块、功率电源模块、散热模组、晶体管、电子管、汽车发动机控制装置、通讯硬件、家用电器、LCD、大功率LED、移动设备以及军事用品上。在这些领域之所以使用导热垫片而不是导热硅脂等其它热界面材料，主要有以下几点：1）导热垫片可以重复安装，对生产操作比较有利：即节约时间又比较省事；而导热硅脂涂抹不方便、且不方便重复安装操作，比较费时费事；2）这些电子产品内部的电子元器件比较集中，因而会使得各个电子元器件之间高低不一，使用导热垫片一般一片就可以覆盖全部发热源。3）这类电子元器件与散热器件的距离一般都较大，而导热硅脂在厚度增大时热阻也会急剧增大，对热传导非常不利，导热垫片则不会因为厚度的变化而影响热传导效果；4）电子元器件一般面积比较大，涂抹导热硅脂很难做到涂抹均匀，对发热源的热量传导不利，而使用导热垫片完全不用考虑这个问题，因为导热垫片尺寸已固定，且有较好的压缩性，对这些电子元器件散热更有利；5）导热垫片性能稳定，在高温时不会渗油，而导热硅脂一般在高温时会有硅油渗出、表面积存灰尘，从而影响电子元器件的使用寿命。
相对来说，导热垫片对于CPU及GPU的应用不太适合，因为这类部件通常周围空间很小，导热垫片的热阻虽然能达到工艺要求，但厚度却很难做到足够薄（如0.1mm、0.05mm等）。
导热垫片的应用
导热垫片的使用非常简单，直接将导热垫片置于发热电子元器件与散热器之间即可。当然，为了更充分的发挥导热垫片的作用，最好在散热器—导热垫片—发热电子元器件之间适当适量的压力，以使导热垫片与发热电子元器件及散热器接触更紧密，这样能适当的降低界面接触热阻，更有利于热量的传导，从而让发热电子元器件上的温度保持在合适的范围，增加电子元器件的使用寿命。
对于发热量较低的电子元器件，如日照照明设备、记忆存储模块及其它低导热要求的电源模块等，导热系数为1.0W/mK以下的导热垫片是比较合适的选择，；对发热较多的电子元器件，我们推荐使用导热系数为2.0W/mK左右的导热垫片，如高速大存储驱动、计算机散热模组、汽车发动机控制单元及LCD背光模组等；对发热非常多的电子元器件，我们推荐使用导热系数为3.0W/mK及以上的导热垫片，如大型功率转换设备、大功率电源设备、GPU、CPU、硬度驱动及其它高导热需求的模块。
对于具体需求的导热垫片要多大的导热系数，使用者也可以根据下面的公式计算，进行大致的判断。如，根据发热电子元器件单位时间内发热的数量以及电子元器件能承受的热量，从而推断出单位时间内必须转移多少热量，再由电子元器件的面积及其与散热器之间的距离，即可大致判断导热系数为多少的导热垫片比较适合。
导热系数计算公式（测试标准为修正版ASTM D2326，hotdisk计算公式）：
其中，λ为导热系数（W/mK），P0为电力，也即功率（W），r为热传感半径（m），τ ， 为热扩散率（mm2/s），t为测试时间（s），D（τ）为τ函数，ΔT（τ）为热传感器增加的温度（K）。
此外，在导热垫片的选择和使用上，还有一些小窍门：
1）先确认发热电子元器件和散热器件的尺寸规格，以表面大者为基准选择导热垫片。这样增加了接触面，能更加有效的进行热传导；
2）选择合适厚度的导热垫片，根据热源与散热器之间的距离选择合适的厚度。如果是单一的发热器件，建议使用薄型的导热垫片，这样可以获得更低的热阻，提升热传导效果；如果是多个发热器件集中在一起，建议使用厚型的导热垫片，这样可以用一片导热垫片覆盖多个发热器件，即使各部件高度不一。另外，厚型的导热垫片热容量更大，如果热源出现瞬间大量生热情况下，厚型导热垫片可以有效吸收这部分意外产生的大量热量，从而保护元器件。
3）导热垫片具有可压缩能力，在选择导热垫片时，可适当选择稍厚一些，这样在导热垫片安装好之后，能适当降低导热垫片与发热电子元器件及散热器件之间的接触热阻，提升热传导效果。