設計者們知道電子產品會散熱,某些元件可能會升高到其無法承受的高溫?在一些應用領域,如 5G 電信基礎設施?數據中心基礎設施和汽車電源管理,過熱會導致系統出現故障,這促使設計者要為其系統創新出新穎的冷卻解決方案?這些系統大部分封裝在體型十分細小的外殼中,這使得設計者很難或無法應用大型散熱器和風扇?導熱界面材料是設計師可用的工具之一,有助于關鍵元件散熱,尤其是在無法獲得強制氣流的情況下?
越來越多的電氣設計者面臨著設備外形或散熱的挑戰,但他們可能不熟悉市場上導熱界面材料的選擇范圍,也不了解如何選擇正確的材料搭配以解決特定的設計挑戰?杜邦萊爾德高性能材料部門提供多種導熱界面材料選項,可以幫助設計者解決復雜的導熱挑戰。這些解決方案適用于汽車?電信?數據中心和功率轉換系統以及眾多其他產品?在本白皮書中,我們將探索市面上的導熱界面材料產品以及挑選這類材料時需要實現的設計目標?
01為何設計者需要導熱界面材料
導熱界面材料旨在為兩個配合面提供均勻的熱觸面,尤其在元件及其散熱器契合面之間?在過去,系統設計者通常采用風扇和/或散熱器,作為解決特定元件上大多數冷卻問題的萬靈藥?這是因為大多數熱量是在大體積電源或大體型 CPU 中產生的,兩者的體型都足以容納此類冷卻器材?即使在有強制氣流從中穿過的新一代系統中,依然存在著如何將熱量快速從元件散發至散熱器的問題?導熱界面材料通過填充加工表面之間的間隙來提供導熱解決方案,確保均勻接觸和高傳熱效率?同樣方法也適用于將外殼作為散熱器的情況?
導熱界面材料可以填充加工表面之間的空氣氣隙,如上圖所示,因此有時也被稱為“填縫材料”?通過在加工表面之間添加材料以填充縫隙,就可以創建一條通往散熱器的低熱阻路徑?借助適當的導熱界面材料?散熱器和自然或強制對流路徑建立,就能降低目標元件對環境的熱阻?
許多設計者面臨的挑戰是該如何選擇使用導熱界面材料,是用在元件與散熱器之間?元件與外殼之間,還是說放在板與外殼連接處?
02導熱界面材料和化合物的類型
導熱填縫材料具有固體和液體兩種形態,可用于不同工藝,能同時能滿足多種產品性能要求?下圖中的填縫材料旨在用作導熱元件和機箱之間,或熱元件和散熱器之間的界面材料?
液體點膠類填縫材料
這些材料更廣為人知的名字是導熱膏?導熱凝膠或者導熱脂,一些制造商會交替使用這些術語?可以將這些材料直接涂抹在元件上,用作散熱器的粘合劑;由于很難進行再加工,因此它們很少用作外殼的界面材料?這些材料可以與陶瓷填料?金屬或金屬氧化物填料混合就能獲得較高的導熱性?其中一個應用范例就是將晶體管?PMIC?放大器?GPU 或 CPU 與散熱器粘接起來?
導熱脂和相變材料
導熱脂可用絲網印刷解決方案獲得較小的粘合層厚度?相變油脂是比導熱脂更先進的替代品,通過優化,可在特定溫度范圍內獲得最大的傳熱率?這些材料通常用于通過機械力固定并在恒壓下固定到位的散熱器?在操作過程中,相變材料會固化或液化成粘稠的一層,從而分別釋放或吸收潛熱?組裝過程中,可利用絲網印刷這些高粘性層材料以便獲得最小的粘合層厚度?
高導熱系數 PCB 層壓板
當 PCB 設計者想到高導熱層壓板時,他們往往想到的是金屬芯或陶瓷結構?較新的先進樹脂系統具有比標準 FR4 級層壓板更高的導熱系數,而且不用面對制造這些替代堆疊品的困難?用作導熱界面材料時,這些層壓板能夠通過直接傳導或其他導熱界面材料(如固態導熱墊)為外殼提供高導熱性?其它潛在的應用領域包括汽車電源系統?底板和工業電子設備?
導熱墊
這些預成形的固態材料使用上非常簡單,也可以集成到自動化組裝過程中?雖然導熱墊一般采用預成形的形狀,但是也可以根據所需尺寸進行模切?它們適合用在平面元件上以接合散熱器,或者直接附在外殼上?這些材料有多種成分:
1、硅或石蠟基材料,為低導熱需求提供低成本解決方案；
2、電絕緣材料,當應對 ESD 和隔離問題時可使用此材料；
3、石墨基材料,具有較高的整體導熱特性,尤其是面內( in plane) 導熱性,可用于較大元件。
03導熱界面材料的甄選
有多種材料規格適用于導熱界面材料?材料的熱導率或所提供產品的熱阻是要考慮的主要材料屬性,因為該值可用作仿真或一些基本計算中的設計目標?具市場競爭力的導熱界面材料提供的導熱率應至少達到 2 W/(m?K)?
很多產品需要考慮電氣和機械特性,以便在其所需的應用中使用?這些特性包括:
1、擊穿電壓和電阻率:對于將用于高壓系統的絕緣導熱界面材料,這兩種特性非常重要；
2、楊氏模量:某些材料具有減振效果,因此選擇材料時應該考慮機械特性；
3、溫度穩定性:導熱界面材料應該在廣泛的溫度范圍內維持可靠的性能,從而確保可靠的熱性能并避免過早降解老化；
4、介電常數:這對于將連接到 PCB 的導熱墊很重要,因為電介質的存在會改變高速/高頻傳輸線的阻抗?介電常數還會影響散熱器的EMI輻射?
除了材料特性之外,設計者在制造過程中還應該考慮自動化組裝過程,以及將特定解決方案集成到 PCBA或外殼的生產便利性?上述列表中的導熱界面材料具有固態和液態兩種形式,這使得設計者能夠靈活選擇,找到最適合他們的元件?應用和組裝過程的材料?
04用導熱界面材料進行設計:范例
由于散熱器和主動冷卻設計可能涉及許多仿真測試,因此人們很容易認為導熱界面材料的使用也是如此?實際上,采用散熱器和導熱界面材料的系統的設計計算相當簡單,并且遵循電路分析中的一些基本概念?中心思想是計算堆疊元件 + 界面 + 散熱系統的熱阻,并將其與元件 + 空氣 + 散熱系統作比較?通過考慮空氣間隙界面的相對熱導率,可以計算通過導熱界面材料和散熱器的元件對環境的熱阻的影響而得出預期降低的熱阻抗值?
采用散熱器?元件及兩者之間界面的系統通常可視為是一個具有單一維度導熱的多層系統?使用層狀材料的導熱率關系,可以將具有空氣系統的熱阻與包含導熱界面材料的兩者系統進行比較?下方定義了每個系統的熱阻:
減去兩個熱阻值之后,可以通過添加導熱界面材料得出對環境熱阻的預期變化具有以下關系:
典型的導熱界面材料:上述系統中的空氣厚度比在 10:1 到 1000:1 之間,具體取決于加工散熱器的表面粗糙度和元件的連接表面?通過與具有 3.5 W/(m?K) 熱阻的 0.5 mm 導熱墊的材料作比較,可以發現,對于 5 mm × 5 mm 的集成電路,底部元件對環境熱阻的預期降低值約為 -3.81 °C/W?
這只是一個粗略的近似值,但卻說明了元件及其散熱器中的各種因素如何影響熱傳輸,以及目標元件可能對環境熱阻帶來的變化?這使得設計者在選擇散熱器附件中使用的導熱界面材料的時需要考慮三個要點:
1、使用熱導率更高的材料,熱量會更快傳導到周圍環境中, 使其熱阻降低的程度較高；
2、若使用更厚的材料,其熱阻降低程度較少,因為熱量必須穿過更大一塊導熱界面材料；
3、當使用特定材料和厚度時,覆蓋的范圍越大,熱阻降低程度會更明顯。
當在較大元件或外殼使用導熱界面材料時,可以使用較薄的界面材料來補償較多傳導到導熱界面材料的熱量?
信息來源:萊爾德
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