如果你曾经使用在笔记本电脑上与其同名的位置，你就知道这些便携式PC能够真正拿出的热量。如果散热不舒服，你可以在知道你的电脑里面的某个地方起码需要安慰，热界面材料（TIM）的帮助，以保持凉爽的微处理器和功能。
将TIM放置在两个部分之间，以帮助将热从一个表面传导到另一个表面。在微电子封装内部，TIMS将热量从硅芯片转移到散热器。在包装外，TIMS将热量从散热器传递到散热器。然而，对于如此简单的工作，电子汇编器具有令人眼花缭乱的时间阵列，从低科技，如润滑脂，诸如碳纳米管和微机电系统，如碳纳米管和微机电系统（参见底部的侧栏）页）。
选择哪一个取决于很多因素。这个包裹会产生多少热量?包装能承受多大的热阻?包装和散热器的表面光滑程度如何?微处理器需要更换吗?它需要与散热器电隔离吗?甚至最终组装的地理位置也会产生影响。一台准备运往芬兰赫尔辛基咖啡店的笔记本电脑，可能需要一个不同于马来西亚吉隆坡工厂的TIM。
“工程师应该将热量的问题接近，作为整体系统，而不是本身而不是蒂姆，”乔治康宁公司电子市场经理（Midland，MI）建议乔治Toskey。“蒂姆，散热器，散热器和风扇一起工作，因此整个系统需要优化，而不仅仅是为了性能，而且为了成本。在许多情况下，如果你使用更好的表演时间，你可能不是需要充满异国情调的散热 - 或反之亦然。“
材料的选择
导热硅脂是表现最好的TIM之一。它由导热颗粒，例如氮化硼或铝，悬浮在硅树脂或烃油载体。
润滑脂除了是一种优良的热导体外，与其他TIMs相比还有几个优点。它不需要固化，也不需要加热才能工作。由于润滑脂能流动，所以它适合于连接两种热膨胀系数不同的材料。油脂不会粘在部件上，所以散热器可以很容易地拆卸下来进行维修。油脂能很好地润湿表面，并产生最薄的接合线。
“除了TIM的体积电导率，粘合线的厚度对跨越接口-越薄越好的热传递的最大影响，” Toskey说。
具有讽刺意味的是，许多这些有利的特征也可以被视为缺点。润滑脂不粘合，所以需要夹子或螺钉来保持散热器到位。润滑脂流动，所以它可以从关节逸出。“润滑脂是凌乱的，”Henkel Corp.电子材料Div的热管理材料全球产品经理Jason Brandi。（欧文，加利福尼亚州）。“他们可以干涸。他们可以迁移。为了长期使用，他们不建议。”
相变材料的性能和润滑脂一样，但没有混乱。相变材料是一种注入了导热粒子的聚合物。当聚合物达到特定温度时，它就从固体变成高粘度液体。像润滑脂一样，相变材料能很好地适应不规则的表面。但是，像润滑脂一样，相变材料不能与部件结合，所以需要机械紧固件来连接散热器。
相变材料通常在一卷磁带上以预先切割好的形状提供。小垫片的材料被剥落的辊和贴在一个部分。然而，去年，霍尼韦尔电子材料公司(Tempe, AZ)推出了一种可屏幕打印的相变材料。这使得电子组装器能够应用各种形状的相变材料来匹配芯片的设计。
在没有相变特征的情况下，导热弹性体膜或垫类似于相变材料。它们由诸如织造玻璃纤维，介电膜或铝箔的基板组成，其已被涂覆有与热传导颗粒的硅氧烷基乳液涂覆。为了最大限度地提高薄膜或焊盘的有效性，散热器必须用紧固件紧密地靠近芯片。随着压力增加，弹性体材料填充零件表面中的空隙更多，并且热阻降低。
托斯基说:“胶片的优点是很容易加工。”“你可以把它们剪出漂亮的形状。但是，薄膜的性能不如相变材料或润滑脂。”
导热粘合剂是耦合带散热器的微处理器的另一种选择。粘合剂的主要优点是它们在不需要机械紧固件的情况下将散热器固定到位。环氧树脂，硅氧烷和丙烯酸类全部可用于导热式。它们可以是从自由流动液体到非流动浆料的一部分或两部分材料。
“粘合剂润湿零件的表面，如润滑脂和相变材料，但它们不会热量表现，”Brandi说。
粘合剂的一个缺点是它们通常需要用热或紫外线辐射固化。这增加了组装过程的时间，并且可能会损坏敏感组件。
今年早些时候，汉高推出了一种两部分热传导粘合剂Loctite 3875，解决了这一缺点。亚克力胶粘剂不需要精确计量或混合。一部分适用于包装;另一部分应用于散热器。当两部分组装好后，粘合剂立即开始固化。在室温下，粘结剂在3 ~ 5分钟内达到夹具强度，并在24小时内完全固化。布兰迪说:“一旦你把零件组装起来，你就可以把组装件装进一个盒子里运过去，而不用担心它们会散架。”
该粘合剂可以应用于自动点胶机或丝网打印机。A和B是不同的颜色，混合后颜色会发生变化。这样可以避免错误，例如将Part A应用到包和散热器上。这两部分不必等量分配。“可能是60比40或40比60，”布兰迪说。
胶粘剂的热导率是每米开尔文1.75瓦。该粘合剂也可与玻璃珠混合使用。珠子直径为7毫米，确保胶结线的厚度一致。
双面胶带是将散热片粘接到芯片上的另一种选择。胶带由基片组成，例如介电膜或铝箔，在基片的两侧涂上热传导压敏粘合剂。硅酮基粘合剂是金属-塑料组件的首选，而丙烯酸基粘合剂是金属-金属接头的首选。
“你不必治愈胶带，这很好。但是，它们的热性能甚至没有接近液体粘合剂，”Brandi说。
使用低熔点焊料作为TIM是一个新兴的应用，特别是在笔记本电脑的芯片上连接热管。焊料提供了任何TIM的最佳物理连接，焊料的热导率范围从30到86瓦每米开尔文。
“焊接的好处，到目前为止，是业绩没什么的导热性比金属，”布兰迪说。“但是，你必须使焊料回流和焊锡是导电的，所以它并不适用于所有应用程序的选项。”
选择材料
在某些情况下，应用程序的特定方面将对工程师指向一个频率。例如，如果散热器和处理器封装的制造公差相对较大，则将排除有利于间隙填充材料的油脂。在其他情况下，选择不太清楚。在成本方面，材料的导热率越好，价格标签越高。
“任何一个TIM都有可能被另一个替换掉，”布兰迪说。
选择一个TIM之前，工程师应该找出多少热量处理器将产生和多少热量将在设备的可靠性产生不利影响。他们还应该衡量在界面热阻，并确定多少热传导将在TIM是必需的。
计算机建模对于理解组装的各种元素如何相互作用是非常有用的。工程师还可以使用该软件对不同的TIMs进行实验，而无需在实验室里花费数天或数周时间。
除了热导率和热阻，工程师可能还需要指定TIM的硬度，以及是否必须符合任何标准，如UL认证。工程师还应该说明TIM是否必须是电绝缘的还是导电的。如果TIM是导电胶粘剂，工程师应指定材料的粘度和固化方法。
“随着低端应用，有没有很多的辅导需要的，”承认Toskey。“应用并不如此紧密的工程，你需要在什么级别的导热性的需要斤斤计较，它更多的是方便性，质量和成本。”
下一波
随着集成电路的复杂性和功率的增加，电子组装商将需要越来越好的TIMs。托斯基表示:“热管理是一个大问题，尤其是对尖端处理器而言，因此总是需要新技术来提高性能或降低成本。”
霍尼韦尔开发出一种新的蒂姆，由一系列对齐的石墨纤维组成。通过薄的粘合剂层保持纤维，阵列封装在凝胶状弹性体材料中，以防止破碎的纤维逸出界面。
纤维从芯片到散热器产生连续的热路径，导致高的热导率，即使有大的间隙。该纤维的直径为10微米和不小于0.015英寸高。（较短的纤维太难以取向。）
由于纤维的长度与宽度之比是高的，所述TIM具有高度机械顺从性的，因此非常适合应用，例如多芯片模块，其中，在界面厚度和共面的变化可具有很少或没有热惩罚被吸收。
材料耐受热和机械循环良好，并且不会泵出或使用过程中从接口干。它的每米开尔文50至90瓦的热导率。
该材料是片材形式制备，并且可以预先施加到任何部件表面或形状。到其所连接可被拆卸和重新加工，而不必更换材料的组件。
但是，TIM不适用于每个应用程序。石墨纤维在张力和压缩中具有强烈，但剪切脆弱。结果，该材料没有表现出良好的耐磨性，并且不适合需要抗剪切抗性的应用。此外，粘合剂和封装材料的温度限制限制了在110℃下的温度下使用摩擦。高温粘合剂和密封剂可以被取代，但是摩擦的导热率将减少。最后，纤维是导电的，所以如果芯片应该电隔离，则不能使用TIM。
普渡大学(West Lafayette, IN)的研究人员已经将导电纤维的想法向前推进了一步——或者更确切地说，是缩小了一步。他们创造了一种碳纳米管地毯，起到TIM的作用。
领导这项研究的机械工程副教授蒂莫西·费希尔(Timothy Fisher)说:“我们看到纳米管的性能明显好于可比的最先进的商业材料。”“碳纳米管具有优异的热传导性能，我们以可控的方式制造它们的能力有助于实现这一应用。”
纳米管的直径范围为小于1纳米至约100纳米。纳米管的一种地毯可以连接到芯片和散热器表面两者。
“我们说它就像魔术贴一样，因为当界面的两侧涂有纳米管的两侧时，它会产生一个交织的纤维网，”Fisher说。“我们并不意味着它创造了强大的机械键，但这两块以这样的方式聚集在一起，使得它们促进了热流，成为魔术贴的热量等同物。”
研究人员发现，在相同温度下，基于纳米管的界面比传统热界面材料传导的热量多几倍。“在某些情况下，结合使用纳米管材料和传统界面材料也显示出强大的协同效应，”Fisher补充道。
除了微处理器外，纳米管材料还可用于冷却军用和其他商业应用中的电力电子产品。该技术已准备好进行商业化，并已被几家公司追求，包括纳米电机公司（Sunnyvale，CA）。
侧边栏:微型泵是未来计算机芯片的一个很酷的想法
美国普渡大学（西拉斐特，IN）的工程师已经开发出一种微型泵的微处理器和循环冷却水配合通过通道蚀刻到芯片中。
这种新设备是一个微型机电系统(MEMS)，已经集成到一块大约1平方厘米的硅芯片上。
机械工程教授、普渡大学冷却技术研究中心主任Suresh Garimella说:“这项技术最具创新性的部分是微型泵。”“因为它是一个MEMS泵，我们能够将整个冷却系统集成到芯片上。”
原型芯片含有大约100微米宽的众多充满水的微通道槽。通道被数百个电极覆盖，该电极接收变化的电压脉冲，使得在每个通道中产生行驶电场。行驶场产生离子，由移动场拖动。
“说每第六电极接收相同的电压。这些变化的电压从一个电极到下一个产生拉动离子前进，使水流动并诱导冷却作用行进的电场，” Garimella解释。“从本质上讲，你是抽液向前发展。”
这种抽吸作用是通过一种称为电水动力学现象，它使用离子和电场的相互作用，以使流体流产生。
“很长一段时间以来，工程师们一直在使用电流体力学来利用电场移动流体，但像我们已经证明的那样，在微尺度上做到这一点是不寻常的，”Garimella说。
研究人员还增加了一个功能来提高泵送动作的力量。薄薄的压电材料片，其响应于电流而膨胀和收缩，胶合在填充液体通道的盖子的顶部上。
“这种材料充当光圈，当你给它一个电压时使上下变形，导致它通过通道推动额外的流量，”加里米拉说。“我们已经开发了数学模型，显示了这种压电动作提高了电水流动力学性能。”
在目前的原型中，隔膜提高了13%的泵吸作用，但模型显示可能提高100%或更高。
Garimella说:“由于电流体动力学需要大量的能量，并且不能产生足够的动力来推动泵送应用，因此一般认为电流体动力学在泵送应用中并不实用，但是这种方法在微冷却应用中已经被证明是更加有效的。”“我们已经证明所需的功率是微瓦，但你可以得到毫瓦的冷却。换句话说，冷却效果是驱动系统所需能量的一千多倍。这是因为我们需要做的就是创造足够的流量来诱导冷却。”
然而，几个主要挑战仍然存在。“一个巨大的挑战是进一步发展全面和准确的数学模型，因为这是一个非常复杂的动态系统，”Garimella说。
其他挑战包括密封微小通道以防止漏水和设计系统，使其可以在与任何半导体芯片相同的条件下制造。
