模切导热界面材料：类型和选择

模切导热界面材料是指在送至装配线之前就已切割成最终形状的导热垫、薄膜或导电层，而不是以液体形式点胶或涂抹成油脂。对于电池组或电力电子工程师而言，这种预成型形状至关重要。它可以以可重复的厚度和面积落入到位，可由自动化设备进行拾取和放置，并且自带离型纸。本文将介绍模切导热界面材料的主要类型，如何选择预切割垫片和点胶填充材料，以及决定哪种材料适合您的界面的各种因素。本文不涉及点胶设备、固化炉或电池组的电气设计；重点在于界面层本身。.

“模切”会改变导热界面材料的哪些特性？

模切工艺改变了界面的一致性和自动化程度，但并不会改变其下方材料的组成。预成型件具有可重复的尺寸和标称厚度，并保持在规定的制造公差范围内，这使得您可以预测多种组件的压缩性能和界面阻力。预成型件或点胶系统都能满足相同的广泛热界面需求，但具体的配方和工艺必须针对特定等级的材料进行验证。不要仅凭产品形式就妄下结论。润滑脂和双组分环氧树脂完全不支持模切工艺，因此选择模切形式一部分是出于对工艺可重复性的考虑，而仅仅是出于对原始热性能参数的考虑。.

预切割部件的缺点在于其厚度固定，因此垫片必须足够柔软才能贴合其前方的实际间隙。过硬的模切垫片会覆盖凸起区域，并在凹陷区域留下空隙。为了避免这种情况，需要测量垫片在实际间隙处施加的压缩力，并将其与电池和接头所承受的载荷进行比较；仅凭额定电导率无法判断。在电池堆叠允许的压缩范围内，垫片的贴合性是决定垫片类型和硬度的主要因素。.

模切导热界面材料的主要类型

大多数模切导热界面材料可分为几个系列，每个系列在导热性、绝缘性和柔软度方面各有侧重。以下列出的系列通常以冲压成型、带衬纸背衬的部件形式存在；纯液态材料，例如导热硅脂或双组分填料，则采用不同的形式，将在下一节中单独比较。.

间隙垫和导热垫

间隙垫和导热垫是常用的模切产品：柔软的填充硅胶片，切割成型，背面衬有衬纸。较软、较厚的间隙垫适用于填充较大或不平整的间隙，并能降低易碎部件的压缩力。较硬的导热垫（有时会添加玻璃纤维增强抗撕裂性）则适用于较薄、较平整的界面。它们的导电性来自陶瓷填料，例如氧化铝或氮化硼，填料含量越高，导电性越强，硬度也越高。因此，数据表中数值过高可能意味着垫子较硬，贴合性较差。如果您主要根据额定值来选择垫子，请谨慎考虑。 间隙垫导热系数 作为衡量柔软度的一个输入参数，而不是单独追求最大化的数值。.

石墨垫和薄膜

当您需要高面内散热性能且可以接受导电层时，石墨垫片和薄膜值得考虑。石墨沿其平面方向导热性强，某些牌号的石墨耐高温，因此可用于将热量横向传递至散热器。但它并非电绝缘体。如果界面还必须防止带电部件之间发生短路，则石墨要么需要单独的介电层，要么必须排除在外。通常，绝缘要求（而非面内导热性）才是决定性因素。应针对特定牌号的石墨，检查其连续温度和峰值温度、面内和垂直方向的散热性能以及介电极限，而不是想当然地认为某个参数就能涵盖界面性能。.

导热胶带和粘合膜

当界面不仅需要导热，还需要粘合时，导热胶带和粘合膜就派上了用场。模切导热胶带带有压敏胶，因此只需剥离粘贴即可定位和固定部件，虽然牺牲了一些导热性能，但换取了机械连接和更简便的组装。由于粘合剂会形成一层薄薄的、导热性较低的层，因此胶带通常适用于热通量较低的连接，或者机械固定和速度比温度的精确度更重要的场合。.

模切导热垫或点涂式间隙填充材料：根据间隙和装配应力进行选择

选择预切割垫片还是点胶填充垫片取决于间隙的均匀程度以及叠层结构的承受应力。导热系数并非决定性因素。模切垫片适用于间隙均匀且表面相对平整的情况，因为部件尺寸已预先确定，且已进行干贴。点胶填充垫片是一种导热材料，通常为双组分，通过计量涂覆到表面并原位固化。它可以适应不均匀的间隙和复杂的结构，其界面热阻是否低于特定垫片取决于材料等级、间隙分布以及点胶和固化参数。.

组装应力往往决定最终选择。如果将坚硬的焊盘强行塞入狭窄或不均匀的间隙中，就会对电池单元、电路板或焊点施加反作用力，这种载荷在振动和热循环作用下可能导致焊点开裂。液态填充剂在固化前会逐渐贴合，从而扩大接触面积，并能施加较小的峰值力，具体数值取决于其计量和固化方式。相比之下，干式焊盘无需点胶或固化步骤，因此操作和库存管理都更加简便。要进行选择，应将候选焊盘在最不利间隙情况下的受力与最脆弱元件所能承受的载荷进行比较，如果两者之间的裕量很小，则应选择点胶填充剂。.

选择模切导热界面材料：导电性、绝缘性、温度和容差

选择模切导热界面材料意味着要对一系列变量进行排序，因为没有一种材料能够同时满足所有条件。以下大致按影响零件选择的频率排序：

• 间隙和平面度：选择合适的厚度和柔软度，既能闭合实际间隙，又不会过度压缩周围的部件。.
• 电气绝缘：预先决定该层是否必须同时作为介电屏障，这将决定石墨是否可以被使用。.
• 导热系数：根据热通量选择合适的导热系数，注意高导热系数的填充硅胶通常更硬。公布的导热系数数值会因材料系列、等级、厚度和测试条件而异，因此请查阅具体数据手册，并在比较之前确认测试压力和方法。.
• 工作温度和耐久性：确认该等级产品在您的整个热循环范围内都能保持性能，而不仅仅是在室温下。.
• 尺寸公差：保持装配和自动化实际需要的零件公差，这将在下面讨论。.

可实现的公差取决于材料、厚度、几何形状、切割工艺和加工商，因此请根据您的具体图纸进行确认。一般来说，激光模切比钢刀模切能实现更小的尺寸公差，这在焊盘需要与拾取放置时的小尺寸区域精确对齐时至关重要；公差过大会导致放置时需要更大的余量。请与您的加工商确认针对特定材料和几何形状的可制造公差。.

还有一项规范可以保护您比较的任何导热系数数据。ASTM D5470 是此类材料面内热传递性能的标准测试方法，它首先确保了两个数据表中的数值具有可比性，但采用相同的测试方法只是必要条件。您仍然需要检查厚度、测试压力和其他报告条件是否一致，因为不同方法或不同压力下的数据不能直接互换。.

电动汽车和储能系统电池组中的模切导热界面材料

在电动汽车和固定式储能系统中，模切导热界面材料通常需要同时完成两项任务：将电池的热量传导至冷板，并将电池与周围金属进行电隔离。一种能够同时满足这两项任务的结构是多层模切焊盘——将导热层粘合到一层薄的聚酰亚胺介电薄膜上——这样，同一部件既能向下导热，又能防止金属间的直接接触，从而避免电池短路。介电层薄而坚韧，这也有助于其在组装过程中抵抗毛刺造成的切割损伤。.

散热垫的设计必须与散热路径的其他部分协同进行，不能孤立地选择。它的性能完全取决于与下方冷板的接触情况，因此，其厚度、柔软度和平面度必须与冷板和电池堆作为一个整体进行匹配；仅凭数据手册上的数值无法解决这些问题。由于电池接口需要在同一层中平衡导热、绝缘、组装应力和免固化操作，因此，将散热垫视为匹配系统中的一个组成部分是值得的。 工业热界面解决方案 以及共享同一电池到冷却剂热路径的液态冷板。从系统角度来看，比起任何单一的导热系数，更能判断电池组组装完成并循环使用后，界面是否能够保持稳定。.

结论

选择模切导热界面材料主要是一个循序渐进的过程，而非一味追求最高数值。首先要确定间隙大小、平整度以及该层是否需要具备绝缘功能。然后选择合适的类型和硬度，确保其能够贴合元件且不会造成过大应力。最后，再比较导热系数，并确保测量方法相同。最常被误解的一点是，高导热系数并不能保证实际界面电阻低，因为较硬、填充量较高的导热垫可能会留下空隙，而较软、导热系数较低的导热垫则可以填补这些空隙。在发布设计之前，值得检查的内容包括：最不利间隙下的压缩力、整个叠层的绝缘要求，以及在间隙不均匀的情况下，使用填充剂是否能更好地贴合。.

常见问题

延伸阅读

• TIMs：四种模切产品 — 厂商技术参考。支持对模切界面产品（石墨、导热垫和薄膜、导热胶带和间隙填充物）进行逐类细分；请将厂商提供的具体数据作为示例进行验证。.
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