電子設備熱設計中熱界面材料的使用與設計要點
0 引 言
隨著電子設備越來越復雜化，熱量的傳導路徑一般都會變長，熱量從發熱器件傳導至散熱器不可避免地會經過各種界面，并在界面上產生接觸熱阻。較高的接觸熱阻也會導致電子設備溫度升高，影響其使用壽命及可靠性。因而，熱界面材料(Thermal Interface Materials,TIMs)的使用對于電子設備散熱來說是極為重要的，目前市場上可以找到多種TIMs，其物理形式包括黏性脂、軟性固體、凝膠體等。實際上，市場上的散熱材料令人眼花繚亂，并且測試方法、產品參數、使用方式五花八門，各種材料的性能差異很大。
對于設計人員來說，為研發的產品選擇合適的TIMs是項非常困難的任務，大部分趨勢是將重點放在材料的體熱導率上，但導熱率并非TIMs的唯一選擇指標。因而，綜合比較各類TIMs的性能，探尋適于電子設備采用的TIMs產品，以及其使用方式方法和工藝，最大程度降低界面熱阻，對于我們研制更高質量的產品是非常重要的。
1 熱界面材料的種類
目前，國內外均有大量專業從事TIMs開發的公司，它們開發出大量各種類型的TIMs產品，可以大致分類如下：
1. 導熱墊(硅膠)：模數低、可導熱的彈性體，用于芯片和散熱器之間的間隙。
2. 導熱硅脂：具有出色的“浸潤”能力，能夠降低接觸熱阻，但存在變干和流出問題。
3. 相變材料：常溫時為固體狀態，受熱溫度升高后轉變為流體狀態，可以降低接觸熱阻。
4. 熱凝膠：模數很低的硅基材料，能夠提供像油脂一樣的低熱阻。
5.現場成型化合物：可以填充復雜幾何體的間隙，并且很快固化。
6.金屬箔：薄片狀的柔軟金屬材料，具有很高的導熱率。
不同界面材料的詳細具體特性分析可以查看：不同類型界面材料(ThermaI Interface Materials TIM )的特性與材料性質分析
目前，貝格斯(Bergquist)公司有大量各種類型的熱界面材料商業化產品，道康寧公司開發出各種新型導熱薄膜和導熱襯墊，如TP-1600薄膜和TP-2400襯墊，以及TC-5021導熱脂;保利馬(Polymatech)公司開發出導熱率高達50W/(m·K)的高熱界面材料;美國研究人員通過電聚合過程使聚合纖維排成整齊陣列，形成一種新型熱界面材料，導熱性能在原有基礎上提高數倍。國內的TIMs產品種類相對較少，且性能與國外同類產品有一定差距。
2 熱界面材料的設計要點
在電子設備中，PCB板上的功率器件產生的熱量通過熱界面材料傳遞至冷板散熱器中，再通過對流和輻射的方式傳遞到周圍環境或熱沉中。
在整個熱傳遞的過程中，熱界面材料處的熱阻最大，所以熱界面材料的設計在整個系統的熱設計中是非常關鍵的。在對器件進行熱界面材料設計時，需要考慮熱界面材料的壓縮率和導熱性能，器件高度和最大允用壓強等因素。
1. 熱界面材料的導熱熱阻。一般情況下，熱界面材料的厚度越大，導熱熱阻也越大。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會進行一定程度的壓縮。熱界面材料的壓縮應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力隨熱界面材料壓縮率增大而增大。在設計熱界面材料時，應確保熱界面材料的壓縮應力小于器件的最大許用應力。
3. 熱界面材料的絕緣要求。當熱界面材料用于PCB板，器件或者其它電氣場合時，通常要求熱界面材料具有較強的導熱能力，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生短路。通常，熱界面材料在用于在以下場合時要求絕緣：
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板焊點的面與金屬冷板之間。部分特殊的器件需要利用焊點進行散熱，為了防止焊點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固定的值，而是在一定的范圍內變化。器件手冊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，在進行熱界面材料設計時應該考慮器件高度的影響;
5. 散熱冷板設計。散熱冷板在設計時，為避免多個尺寸造成累計誤差，凡與散熱有關的尺寸，需從結構件與PCB板安裝面起標注尺寸，具體如圖3所示，應直接標注尺寸C，而不是A和B。
6. 熱界面材料的調節范圍。根據以上分析，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現是在一定范圍內變化的，這就要求熱界面材料在安裝時具有一定的調節范圍。
表1中列舉了常見厚度的熱界面材料在壓縮量為5%~25%之間時的調節范圍。可以得出，厚度越大的熱界面材料的調節能力越大。
7. 熱界面材料的均勻性。熱界面材料在安裝時，需要一定的預緊力來確保熱界面材料與接觸面之間貼合緊密，減小接觸熱阻，起到加強散熱的作用。
在安裝熱界面材料時，若單個熱界面材料的面積較大，在預緊力的作用下，熱接觸材料容易出現局部擴展不均勻，出現鼓包等情況，導致局部壓縮應力過大，對器件造成不良的影響。
因此，對于單個面積較大的熱界面材料，應在材料中部予以開槽，確保熱界面材料在安裝時可以擴展均勻，并且可以有效地降低熱界面材料壓縮所產生的應力。當單個界面材料面積大于800mm2時，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，對于其他形狀的熱界面材料應根據實際情況開槽。
例如：對于細長型的熱界面材料，中間開一字槽即可。對于特別外形的器件，如圖5所示，需要根據器件外形來開槽。
不同界面材料的選用與設計方法可以查看：界面材料之導熱墊的選用與設計方法
3 結 論
在使用熱界面材料時，要綜合考慮熱界面材料的壓縮率和導熱性能、器件高度和最大允用壓強等因素，才能得到較好的散熱效果。本文總結了熱界面材料的設計要點，對于電子設備熱設計中熱界面材料的使用和設計有一定指導作用。
「來源: |中科聚智
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