我們都知道，導熱矽脂作為TIM（Thermal Interface Material，導熱界面材料）主要是用來填充固體-固體之間的縫隙，增加接觸面積，降低界面熱阻，提高熱通量。

矽脂導熱能力的強弱，有個很重要的指标，在我們認知範圍内一直以來可能也是唯一的一個指标，那就是導熱系數，它的單位為W/m.K，其定義也很簡單，一個物質内兩個相距1米、面積為1平方米的平行平面，當它們的溫度相差1K，在1秒内從一個平面傳導至另一個平面的熱量就是該物質的導熱系數。導熱系數越大，表明它的導熱能力越強。

導熱系數有個好處，它是材料的一個固有參數，除了随溫度略有變化外，不随厚度、面積等條件發生變化，方便簡單，所以廣為使用，備受關注。

由于導熱系數很關鍵，再加上需要相關設備才能測試得到，一般用戶是無法驗證真實性的，所以市面上各家矽脂标注的這一指标那是真真假假、虛虛實實，有些已經到了無知無畏無下限的地步。

無知無畏無下限的15.6W/m.K

像這樣把導熱系數标到15.6W/m.K，那是萬萬沒沒想到，真懷疑是不是小數點标錯了？！目前市面上的矽脂主要是由信越和道康甯生産，它們提供的導熱系數高的也就在6-8W/m.K，其它各品牌的矽脂基本上是分裝貼牌的，所以市面上那些動辄10 導熱系數的矽脂肯定是虛标，關鍵是，這一現象目前太普遍了，使得這一重要指标已經慢慢失去了參考價值。

似乎跑題了，其實今天要講的并不是虛标一事。

導熱系數高的導熱能力反而弱了？

如果單純從導熱系數來區分矽脂間的性能，其實可以理論上推算一下：

熱傳導傅裡葉定律：Q=K₁*A*ΔT₁/L = K₂*A*ΔT₂/L

這裡Q為傳熱量，K₁、K₂為兩款矽脂的導熱系數，ΔT₁、ΔT₂為它們上下表面的溫度差，A為傳熱面積，L為矽脂層厚度。

簡單換算下 ΔT₁=Q*L/A/K₁、 ΔT₂=Q*L/A/K₂

它們間的導熱性能差距就是 ΔT₁- ΔT₂=（1/K₁-1/K₂)*Q*L/A

假設兩款矽脂的導熱系數分别為6W/m.K（頂尖水平）和3.3W/m.K（普通水平），CPU的功耗為200W并且熱量全部傳至散熱器（下同），矽脂厚0.08mm（正常矽脂厚為0.07-0.1mm），傳熱面積為1060mm²(英特爾12代CPU的表面積)，那麼它們對CPU的溫度影響差為：

ΔT₁-ΔT₂=（1/6-1/3.3)*200*0.08/1060*1000=-2.1℃

也就是說，隻看導熱系數的話，和普通矽脂相比，頂尖的矽脂（如信越7921）也隻能讓CPU的溫度再低上2℃，理論上矽脂的影響并沒那麼大。

當然了，這是隻看導熱系數的情況，實際上情況要更複雜一些。

在信越官網提供的一些它們的産品參數：

看看我們熟悉的7868和7921兩款矽脂，7868的導熱系數在溶劑揮發後達到了6.2W/m.K，比7921的6.0W/m.K更高，理論上7868的性能應該更好。

在紅圈标注的參數中，還有一項叫熱阻抗，在同樣厚度下，信越7868的熱阻抗是7.0mm².K/W，而7921隻有5.8mm².K/W，這說明了什麼呢？

這說明，1mm²大小、25µm厚的矽脂層，當傳輸1W熱量時，7868矽脂層上下表面的溫度差會達到7℃，而7921矽脂層的表面溫度差隻有5.8℃。如果CPU功耗為200W，矽脂層面積為1060mm²，7868表面溫度差為7*200/1060=1.3℃，7921表面溫度差為5.8*200/1060=1.1℃。（為啥這麼計算，後面會講到）

從熱阻抗來看7921的性能表現是稍優于7868的，但7868的導熱系數不是更高應該更好些嗎？！！

其中最關鍵的問題在于，書本上不是說了導熱系數越高熱阻越低嗎，為什麼導熱系數更高的7868，它的熱阻也高了呢？

界面熱阻和接觸熱阻

要理解這個問題，先了解一下熱阻。

熱阻類似于電阻，它是熱量在傳遞時遇到的阻力，單位為K/W，表明1W熱量所引起的溫升大小。顯然熱阻越大，物體的導熱能力就越差，這和導熱系數正好相反。對于單一材料而言，熱阻R=L/(K*A），L為厚度，K為導熱系數，A為面積，當厚度和面積一定時，該材料的熱阻與導熱系數成反比。

熱阻的定義R=ΔT/Q，傅裡葉定律Q=K*A*ΔT/L，所以 R=L/(K*A)

單位面積上的熱阻稱為熱阻抗，常用單位mm².K/W，其它面積單位可換算。

在多個材料組成的系統中，熱量流經不同材料之間的界面時會受到阻礙，這一阻力就是界面熱阻，界面熱阻定義為界面處的溫差與流過該界面的熱量之比。

如上圖所示，在CPU與散熱器之間填充着矽脂，CPU頂蓋(IHS)表面的溫度為T1、散熱器底座表面溫度為T2，從CPU表面流向散熱器底座的熱量為Q，那麼界面熱阻=(T1-T2)/Q，其實這也是熱阻的定義。

當熱流穿過界面（固體-固體/液體）時，在不同材料的交界面上（如CPU表面-矽脂、矽脂-散熱器底座的接觸面），通常會認為接觸面兩側的溫度是相同的，實際上接觸面兩個表面上的溫度是不相同的，也就是說存在着溫度降，這說明不同材料的接觸界面，存在着熱流阻力，這個阻力就是接觸熱阻。

所以，從CPU到散熱器的界面熱阻，其實是三部分組成的，從CPU IHS表面到矽脂層下表面的接觸熱阻，矽脂層自身存在的熱阻，從矽脂層上表面到散熱器底座表面的接觸熱阻，即：

界面熱阻 R_imp= 矽脂熱阻 接觸熱阻_下 接觸熱阻_上 = L/(K*A) R_con

R_con為上下表面的接觸熱阻之和

看到這兒，大概應該能明白，矽脂的導熱系數隻能決定矽脂熱阻部分的大小，但整個界面熱阻還與矽脂層上下表面的接觸熱阻有關，信越提供的熱阻抗數值也正是指的界面熱阻抗，而非單指矽脂的熱阻抗。這也是為什麼導熱系數相同的矽脂，但它們的熱阻不一樣的原因。

對于矽脂而言，接觸熱阻與外力、基闆材料表面粗糙度、矽脂的導熱系數和潤濕性能有關，與厚度無關，面對相同基闆材料及相同厚度、面積時，接觸熱阻是固定的。

單位面積上的界面熱阻也就是界面熱阻抗（矽脂常用單位mm².K/W），從上面的公式可以看出，界面熱阻抗=L/K 接觸熱阻抗，對于同一矽脂和基體材料，界面熱阻和矽脂的厚度成線性關系。

信越提供了一份界面熱阻抗與矽脂厚度的關系圖表，可以分析一下：

熱阻抗與厚度的實際關系（界面熱阻抗=L/K 接觸熱阻抗，L厚度，K導熱系數）

直線斜率相同的表示它們的導熱系數相同（畢竟斜率的倒數就等于導熱系數，斜率=dy/dx），就看7762、7868和7921這三款，它們的斜率基本一樣，實際上導熱系數分别為6.0、6.2、6.0，基本一樣，但是相同厚度下的熱阻抗卻是不同的，當矽脂厚度L為0時，界面熱阻抗=接觸熱阻抗，也就是直線與Y軸的交點即為相應矽脂接觸熱阻抗的大小。

目前業界測試矽脂熱阻和導熱系數的主要方法之一ASTM D5470試驗标準就是基于這樣的原理的。

7921和7868矽脂在25µm厚時，界面熱阻抗分别為5.8mm².K/W和7.0mm².K/W，理論也可以計算出它們在該試驗條件下的接觸熱阻抗，7921的接觸熱阻抗=界面熱阻抗 - L/K = 5.8-25/6=1.63mm².K/W，7868的接觸熱阻抗=7-25/6.2=2.97mm².K/W，7868的接觸熱阻抗比7921明顯要高多了。

前面計算過隻看導熱系數時，對于200W功耗的CPU，6W/m.K的矽脂比3.3W/m.K的能讓CPU更低2.1℃，咱們帶上接觸熱阻再算算，以信越7921和信越G-777為例，G-777的導熱系數正好為3.3W/m.K，在56µm厚時，它的界面熱阻抗為21mm².K/W，則其接觸熱阻抗=21-56/3.3=4.03mm².K/W，其它計算如下：

假設CPU功耗為200W，矽脂厚度為0.08mm，面積為1060mm²，那7921和G-779作用下的CPU溫度差有多少呢？

由于界面熱阻抗=(T1-T2)*A/Q，所以同一矽脂表面的溫度差=Q*界面熱阻抗/A=Q*(接觸熱阻抗 L/K)/A，所以：

7921的表面溫度差 = 200*(1.63 80/6.0)/1060=2.8℃

G-777的表面溫度差 = 200*(4.03 80/3.3)/1060=5.8℃

也就是說，7921對比G-777，能讓CPU再低3℃，算上接觸熱阻比隻計算導熱系數帶來的優勢更明顯 (●'◡'●)

矽脂的導熱能力，更取決于其熱阻大小

簡單來說，矽脂的導熱性能取決于它在實際操作條件下的界面熱阻，界面熱阻包含有矽脂本身存在的熱阻，這部分與矽脂的導熱系數及矽脂層面積成反比，與矽脂層厚度成正比；另外還有矽脂與兩個基體材料間的接觸熱阻，這部分取決于固體材料的粗糙度、矽脂的導熱系數、潤濕性能、外部壓力等。隻有當矽脂比較厚時，接觸熱阻才可以忽略，但是作為一個小容差的TIM材料，矽脂的厚度通常都是µm級别，所以接觸熱阻的影響是存在的。

也就是說，矽脂的導熱系數很重要（請原諒标題黨），但它并不能完全決定該矽脂性能的好壞，熱阻（界面熱阻）能更準确的反應出該矽脂的導熱能力強弱，界面熱阻越小，導熱能力越大。

可惜目前能準确提供熱阻的矽脂比能準确提供導熱系數的更顯鳳毛麟角，但辦法總是有的，有興趣的同學可以關注我們的後續相關内容。

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