为什么导热膏层厚减半，导热性能并未翻倍？

在对热导材料（TIM）的热表征中，通常假设减小层厚，特别是将所谓的粘结线厚度（BLT）减半，总是会导致热阻成比例减半。然而，这一假设在非常薄的层中，特别是低于大约25微米的区域，是不正确的，甚至从根本上说是错误的。原因在于界面热阻的日益主导作用，也就是TIM与相邻固体之间（例如散热器与芯片表面）界面的接触热阻。

实际TIM层的总热阻由两个主要组成部分构成：材料本身的热阻（体积）和界面处的界面热阻（接触热阻）。体积热阻实际上与层厚和材料的热导率成正比。另一方面，界面热阻在第一近似下与层厚无关，而是由表面（粗糙度、润湿性、机械接触）和TIM的材料特性决定。

如果层厚大大减少，界面热阻保持不变，而体积热阻减少。在非常薄的层（通常低于25微米）中，界面热阻可能会迅速占据整个系统的最大比例。在这个范围内，进一步减少层厚只会导致整体热阻的相对小幅减少，因为主导的界面成分没有减少。因此，在这个区域，减半BLT并不会将热阻减半。

此外，热导率的概念在这种情况下变得有问题。热导率的经典定义假设热阻主要由材料的体积主导，并且层厚和热阻之间存在线性关系。然而，一旦界面热阻变得重要，实际的热导率不再是纯粹的材料参数，而是体积和接触热阻的混合效应的结果。热导率的单一数字表示法就会暗示系统的线性可伸缩性，而这种关系在实际中并不存在。在极薄的TIM层中，热导率因此无法可靠地描述系统的实际热行为。

此外，测试者选择的25微米的限制反映了一个现实的实践参考：在实际应用中，尤其是在组装GPU或CPU散热器时，机械条件（如基板弯曲、散热器基座扭曲和微观粗糙度及不平整）通常会导致层厚超过20-30微米。即使是非常平坦的散热器和精确安装的处理器，也很难稳定地达到低于20微米的最小局部BLT值，因为在拧紧和热膨胀过程中，轻微的机械变形会对系统产生动态影响。因此，实际的层厚通常在大约20到60微米之间，具体取决于膏料类型、应用量、接触压力和表面特性。图表中有什么变化？

另一个重要的实践因素涉及热膏本身的材料特性。一些高粘度或颗粒丰富的热膏只会在自身作用下达到某个最小层厚，低于这个厚度时，它们就无法均匀涂抹，原因是流动限制、颗粒尺寸或分散性。在这种情况下，实验测定的每种测试膏料的最小可能BLT也被纳入了图表的评估中。

这些数值记录了在没有气泡、不均匀或机械缺陷的情况下，最好的情况下可以涂抹多薄的膏料。为了完整性，还在图表中包含了每种测试膏料的实验测定的最小可能BLT值。这些值记录了在实验室条件下极薄涂层的技术可行性。然而，在实际应用中，这些最小值的实际意义较小，因为实际影响（如不平整的表面和组装力）通常会增加可达到的层厚。

这些最小BLT值现在也已包含在图表中，稍后将展示它们在实际应用中的从属角色。由于实际系统中几乎不可能出现最佳条件，并且不可避免的机械效应通常会导致较高的有效BLT，因此极薄涂层的值对实际使用中的热性能几乎没有影响。因此，引入的25微米下限可以更具代表性和实用性地比较不同导热膏在现实工作条件下的表现。界面热阻的影响是什么？
热界面导热材料（TIM）的接触或界面热阻本质上并非完全独立于TIM层的厚度，其行为需要以细致的方式来考虑。首先，需要明确区分TIM层的纯体积热阻和界面处的界面热阻（例如，TIM与散热器和TIM与待冷却元件之间）。界面热阻主要由微观不平整、表面粗糙度、杂质和材料的固有润湿性决定。这些因素决定了TIM层与相邻表面之间的附着力，从而决定了实际接触点的数量和质量。

理想情况下，界面热阻本身大体上与层厚无关，因为它与界面的质量有关，而与材料通过TIM的体积传输无关。然而，在考虑时必须注意实践中的关联性。具体有三个重要点：

• 对于非常薄的层，界面热阻可能变得非常显著，甚至主导，因为TIM层的体积热阻较低。在这种情况下，润湿不充分也会导致由于材料不足而增加界面热阻。
  
  
• 对于较厚的层，体积热阻的影响变得越来越重要。虽然界面热阻基本保持不变，但随着层厚增加，它们在总系统热阻中的比例下降。
  
  
• TIM的机械性质根据层厚的不同，影响界面热阻。例如，较厚的粘稠膏料层通常能更好地适应表面粗糙度，从而减少有效界面热阻。相反，较厚的层可能导致与硬材料的接触较差。
  
  
  

从形式上讲，界面热阻主要与TIM层的厚度无关，因为它是界面接触质量的现象。然而，在实际应用中，由于层过薄或过厚导致的接触条件变化可能间接影响有效界面热阻，因此界面热阻可以随层厚变化。然而，这并不是由于层厚与界面热阻之间的基本物理关系，而是由于接触条件的变化。实测案例分析选取热性能相近的Thermal Grizzly Duronaut与Maxtor CTG 10进行对比（完整ASTM D5470-17标准17点测量数据）

Maxtor CTG10 分析

Maxtor CTG10 的图形表示表明，在整个范围内，涂层厚度 (BLT) 和特定热阻之间存在非常好的线性关系。回归系数R 2 =0.99995证实了高线性度。然而，值得注意的是，在非常小的 BLT 范围内（约 12-25 µm），测量点与回归线的预期值略有不同。特别是，在约 12 µm 层厚度处的最低测量点明显偏离理想线，并且显示出比纯线性连续预期更高的热阻。这表明在非常薄的薄膜厚度下会出现额外的热阻，而这在线性模型中无法完全体现。

Thermal Grizzly Duronaut Thermal Grizzly Duronaut 的分析

对于 Thermal Grizzly Duronaut，在低膜厚区域偏差更为明显。最低的 BLT 值（约 12-25 µm）显示出的热阻与线性回归预测数值存在显著差异。虽然整体曲线仍然可以描述为良好的线性（R 2 =0.99926），但薄层偏差尤其明显，远大于 Maxtor CTG10。这表明，在 Duronaut 的超薄应用中，系统性附加热阻并未被纳入线性建模的考量。

观察到偏差的原因

当键合线厚度 (BLT) 低于约 25 µm 时，测得的总热阻略低于线性回归曲线（即热阻低于线性模型的预测值），对此现象的合理解释可能是压力引起的界面接触条件的改善。如果夹紧力保持不变，则随着 BLT 的降低，热界面材料上的机械压力会显著增加。这种升高的压力可以增强材料顺应微观表面不规则性的能力，将 TIM 更有效地压入接触材料的表面凹凸不平处。

这种效果对于表现出良好压力驱动流动的柔顺性或高填充导热膏尤其重要，尤其是那些具有纳米级填料颗粒的导热膏。这种改善的表面润湿和间隙填充会降低有效界面热阻，即使回归模型假设它是恒定的。

此外，压力增加可能会导致TIM层本身的微观结构发生变化。在高粘度或富含颗粒的导热膏中，压缩会导致填料网络局部致密化或重新排列，这可能会略微提高热导率。这也会导致总测得的热阻降低，使数据点低于理想的线性拟合值。

总而言之，这些效应表明机械压力对实际传热性能具有显著的影响，尤其是在界面层厚度 (BLT) 非常低的情况下。由于经典线性回归模型将界面热阻和体积热阻视为固定的、与厚度无关的属性，因此它们无法解释这种与压力相关的改进。然而，在实际测量中，很明显，减小厚度和增加压缩力的组合可以在界面处产生更好的热耦合，从而使实际系统比模型预测的更高效。当TIM在压力下保持结构稳定，不会出现渗漏或分离，并且施加的力足以增强微接触质量而不损害层完整性时，这种效应最为明显。