导热界面材料选用及仿真建模方法
导热界面材料选用及仿真建模方法
导热界面材料在电子设备散热设计中扮演着重要角色。本文将介绍导热界面材料的种类、应用场景以及在Flotherm和FloEFD软件中的仿真建模方法。
导热界面材料简介
刚性固体接触面间会产生细小的缝隙。可以用柔性的介质填充这些缝隙，连接导热路径。导热界面材料是这类材料的统称。常见的导热界面材料包括导热衬垫(thermal pad)、导热硅脂(thermal grease)、导热凝胶(thermal gel)等。
其主要作用是填补刚性面接触间的空气间隙，以此减少导热路径上的接触热阻，示意图如下所示：
常用的导热材料有以下几种：
- 导热硅脂(grease)
- 导热衬垫(thermal pad)
- 导热双面胶带(thermal tape)
- 导热凝胶(thermal gel)
- 相变材料(PCM，phase change material)
对于空间尺寸受限，元器件的功率密度很大的场景，对导热系数要求很高，比如手机、平板电脑等产品，导热硅脂用的会比较多。对于额外需要有绝缘、一定的抗震性能，需要缓冲的应用场景，比如车载模块系统中，一般导热衬垫（thermal pad）应用会比较多。
当然还有一些，比如灌封胶、导热凝胶、相变材料，则根据实际项目的需求，结合结构设计、热设计、成本、电路、供应链等条件进行选择。
界面材料的选择是热设计方案的关键之一。
仿真测试与验证
选用导热界面材料之后，可以通过仿真测试和实际试验验证两种方式进行验证。
在各种仿真软件中进行测试验证时，对于不同的导热材料，设置的方式也有所不同，但基本的建模方法有两种：
- 设置面积热阻（即接触热阻的方法）
- 建立实体模型，设置导热系数、密度等物理参数
以Flotherm、FloEFD软件为例，用导热硅脂进行导热，一般比较合适的方式是设置接触热阻。
在Flotherm中设置面积热阻
在Flotherm中设置面积热阻的情况如下图所示：
需要注意以下几点：
- 设置的接触面为导热硅脂接触的最小的那个面，在此项目中，为中间的铜片，即上图的标识1；
- 这里的接触热阻，实际上是面积热阻，用公式R=L/（λ*A），计算出来的是热阻，这里一定得注意，即上图的标识2；
- 看准设置面的方向，即上图的标识3；
- 可以通过设置前后，设置面的颜色差异对比，验证是否设置成功，如上图所示。
在FloEFD中设置面积热阻
在FloEFD中设置面积热阻的情况如下图所示：
可以看出，在FloEFD中，会直接显示的是接触热阻，与flotherm软件中一样，也是计算的面积热阻，所以基本的方法可以通用。
厚度较大的导热材料建模
对于有一定厚度的导热垫片、硅胶片等，可以直接在软件中建立实体模型。然后设置其物理参数，比如导热系数、密度等，但需要注意，仿真的时候实际上是安装后其被压缩后的情况，所以建模时，要考虑进去，避免干涉。
同时，因为存在压缩量，以及安装固定的平整度问题，可能会导致仿真与实际测试结果有偏差的潜在风险。