發(fā)布時(shí)間： 2021/11/03 發(fā)布人：蘇州卓納納米技術(shù)有限公司
隨著電子設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜化，熱量的傳導(dǎo)路徑一般都會(huì)變長(zhǎng)，熱量從發(fā)熱器件傳導(dǎo)至散熱器不可避免地會(huì)經(jīng)過(guò)各種界面，并在界面上產(chǎn)生接觸熱阻。較高的接觸熱阻也會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備溫度升高，影響其使用壽命及可靠性。因而，熱界面材料（Thermal Interface Materials,TIMs）的使用對(duì)于電子設(shè)備散熱來(lái)說(shuō)是極為重要的，目前市場(chǎng)上可以找到多種TIMs，其物理形式包括黏性脂、軟性固體、凝膠體等。實(shí)際上，市場(chǎng)上的散熱材料令人眼花繚亂，并且測(cè)試方法、產(chǎn)品參數(shù)、使用方式五花八門，各種材料的性能差異很大。
對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，為研發(fā)的產(chǎn)品選擇合適的TIMs是項(xiàng)非常困難的任務(wù)，大部分趨勢(shì)是將重點(diǎn)放在材料的體熱導(dǎo)率上，但導(dǎo)熱率并非TIMs的唯一選擇指標(biāo)。因而，綜合比較各類TIMs的性能，探尋適于電子設(shè)備采用的TIMs產(chǎn)品，以及其使用方式方法和工藝，最大程度降低界面熱阻，對(duì)于我們研制更高質(zhì)量的產(chǎn)品是非常重要的。
一、熱界面材料的種類
目前，國(guó)內(nèi)外均有大量專業(yè)從事TIMs開發(fā)的公司，它們開發(fā)出大量各種類型的TIMs產(chǎn)品，可以大致分類如下：
1. 導(dǎo)熱墊（硅膠）：模數(shù)低、可導(dǎo)熱的彈性體，用于芯片和散熱器之間的間隙。
2. 導(dǎo)熱硅脂：具有出色的“浸潤(rùn)”能力，能夠降低接觸熱阻，但存在變干和流出問(wèn)題。
3. 相變材料：常溫時(shí)為固體狀態(tài)，受熱溫度升高后轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w狀態(tài)，可以降低接觸熱阻。
4. 熱凝膠：模數(shù)很低的硅基材料，能夠提供像油脂一樣的低熱阻。
5. 現(xiàn)場(chǎng)成型化合物：可以填充復(fù)雜幾何體的間隙，并且很快固化。
6. 金屬箔：薄片狀的柔軟金屬材料，具有很高的導(dǎo)熱率。
目前，貝格斯（Bergquist）公司有大量各種類型的熱界面材料商業(yè)化產(chǎn)品，道康寧公司開發(fā)出各種新型導(dǎo)熱薄膜和導(dǎo)熱襯墊，如TP-1600薄膜和TP-2400襯墊，以及TC-5021導(dǎo)熱脂；保利馬（Polymatech）公司開發(fā)出導(dǎo)熱率高達(dá)50W/（m·K）的高熱界面材料；美國(guó)研究人員通過(guò)電聚合過(guò)程使聚合纖維排成整齊陣列，形成一種新型熱界面材料，導(dǎo)熱性能在原有基礎(chǔ)上提高數(shù)倍。國(guó)內(nèi)的TIMs產(chǎn)品種類相對(duì)較少，且性能與國(guó)外同類產(chǎn)品有一定差距。
二、 熱界面材料的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
在電子設(shè)備中，PCB板上的功率器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱界面材料傳遞至冷板散熱器中，再通過(guò)對(duì)流和輻射的方式傳遞到周圍環(huán)境或熱沉中。在整個(gè)熱傳遞的過(guò)程中，熱界面材料處的熱阻最大，所以熱界面材料的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)中是非常關(guān)鍵的。在對(duì)器件進(jìn)行熱界面材料設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮熱界面材料的壓縮率和導(dǎo)熱性能，器件高度和最大允用壓強(qiáng)等因素。
1. 熱界面材料的導(dǎo)熱熱阻。一般情況下，熱界面材料的厚度越大，導(dǎo)熱熱阻也越大。以貝格斯的某型熱界面材料為例，熱界面材料的導(dǎo)熱熱阻隨熱界面材料厚度成線性遞增，見圖1。
2. 熱界面材料的壓縮應(yīng)力。為了保證接觸面和熱界面材料緊密貼合，熱界面材料在使用時(shí)會(huì)進(jìn)行一定程度的壓縮。熱界面材料的壓縮應(yīng)力隨壓縮程度的增加而增加。以某型熱界面材料為例，熱界面材料的壓縮應(yīng)力隨熱界面材料壓縮率增大而增大。在設(shè)計(jì)熱界面材料時(shí)，應(yīng)確保熱界面材料的壓縮應(yīng)力小于器件的最大許用應(yīng)力。
3. 熱界面材料的絕緣要求。當(dāng)熱界面材料用于PCB板，器件或者其它電氣場(chǎng)合時(shí)，通常要求熱界面材料具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，而且還要求熱界面材料具有絕緣性能，防止熱界面材料被高電壓擊穿而發(fā)生短路。通常，熱界面材料在用于在以下場(chǎng)合時(shí)要求絕緣：
a.金屬封裝器件與金屬冷板之間。為防止器件外殼和金屬冷板發(fā)生短路，需要熱界面材料具有絕緣性能；
b. 金屬封裝器件與PCB板之間。由于PCB板表面埋有銅線，為了防止PCB板表層油膜磨損，而使銅線和器件生發(fā)生短路，需要在金屬封裝器件和PCB板之間增加絕緣型的熱接觸材料。
c. PCB板焊點(diǎn)的面與金屬冷板之間。部分特殊的器件需要利用焊點(diǎn)進(jìn)行散熱，為了防止焊點(diǎn)與金屬冷板之間短路，需要熱界面材料具有絕緣性能。
4. 器件高度誤差的影響。由于受到焊接工藝，封裝類型和安裝形式等因素影響，器件焊接后的高度通常不是一個(gè)固定的值，而是在一定的范圍內(nèi)變化。器件手冊(cè)中給出的器件高度通常包括器件高度的最大值和最小值。
例如器件PC7447手冊(cè)中給出，器件焊接后的最大高度為2.20mm，最小高度為1.92mm。所以，在進(jìn)行熱界面材料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮器件高度的影響；
5. 散熱冷板設(shè)計(jì)。散熱冷板在設(shè)計(jì)時(shí)，為避免多個(gè)尺寸造成累計(jì)誤差，凡與散熱有關(guān)的尺寸，需從結(jié)構(gòu)件與PCB板安裝面起標(biāo)注尺寸，具體如圖3所示，應(yīng)直接標(biāo)注尺寸C，而不是A和B。
6. 熱界面材料的調(diào)節(jié)范圍。根據(jù)以上分析，由于器件高度和冷板加工公差等因素的影響下，熱界面材料的安裝間隙實(shí)現(xiàn)是在一定范圍內(nèi)變化的，這就要求熱界面材料在安裝時(shí)具有一定的調(diào)節(jié)范圍。
表1中列舉了常見厚度的熱界面材料在壓縮量為5%~25%之間時(shí)的調(diào)節(jié)范圍?？梢缘贸?，厚度越大的熱界面材料的調(diào)節(jié)能力越大。
7. 熱界面材料的均勻性。熱界面材料在安裝時(shí)，需要一定的預(yù)緊力來(lái)確保熱界面材料與接觸面之間貼合緊密，減小接觸熱阻，起到加強(qiáng)散熱的作用。
在安裝熱界面材料時(shí)，若單個(gè)熱界面材料的面積較大，在預(yù)緊力的作用下，熱接觸材料容易出現(xiàn)局部擴(kuò)展不均勻，出現(xiàn)鼓包等情況，導(dǎo)致局部壓縮應(yīng)力過(guò)大，對(duì)器件造成不良的影響。因此，對(duì)于單個(gè)面積較大的熱界面材料，應(yīng)在材料中部予以開槽，確保熱界面材料在安裝時(shí)可以擴(kuò)展均勻，并且可以有效地降低熱界面材料壓縮所產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)單個(gè)界面材料面積大于800mm2時(shí)，建議在熱界面材料中心位置開十字槽，建議尺寸如圖4所示，對(duì)于其他形狀的熱界面材料應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況開槽。
例如：對(duì)于細(xì)長(zhǎng)型的熱界面材料，中間開一字槽即可。對(duì)于特別外形的器件，如圖5所示，需要根據(jù)器件外形來(lái)開槽。
三、 結(jié) 論
在使用熱界面材料時(shí)，要綜合考慮熱界面材料的壓縮率和導(dǎo)熱性能、器件高度和最大允用壓強(qiáng)等因素，才能得到較好的散熱效果。本文總結(jié)了熱界面材料的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)于電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中熱界面材料的使用和設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。
來(lái)源：南京熱鏈研習(xí)社、5G行業(yè)觀察公眾號(hào)
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