如何正確選擇合適的導(dǎo)熱界面材料？

設(shè)計(jì)者們知道電子產(chǎn)品會(huì)散熱，某些元件可能會(huì)升高到其無(wú)法承受的高溫。在一些應(yīng)用領(lǐng)域，如 5G 電信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施和汽車電源管理，過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這促使設(shè)計(jì)者要為其系統(tǒng)創(chuàng)新出新穎的冷卻解決方案。這些系統(tǒng)大部分封裝在體型十分細(xì)小的外殼中，這使得設(shè)計(jì)者很難或無(wú)法應(yīng)用大型散熱器和風(fēng)扇。導(dǎo)熱界面材料是設(shè)計(jì)師可用的工具之一，有助于關(guān)鍵元件散熱，尤其是在無(wú)法獲得強(qiáng)制氣流的情況下。

越來(lái)越多的電氣設(shè)計(jì)者面臨著設(shè)備外形或散熱的挑戰(zhàn)，但他們可能不熟悉市場(chǎng)上導(dǎo)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。杜邦萊爾德高性能材料部門提供多種導(dǎo)熱界面材料選項(xiàng)，可以幫助設(shè)計(jì)者解決復(fù)雜的導(dǎo)熱挑戰(zhàn)。這些解決方案適用于汽車、電信、數(shù)據(jù)中心和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及眾多其他產(chǎn)品。本文，將探討市面上的導(dǎo)熱界面材料產(chǎn)品以及挑選這類材料時(shí)需要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

01 為何設(shè)計(jì)者需要導(dǎo)熱界面材料

導(dǎo)熱界面材料旨在為兩個(gè)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(guò)去，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常采用風(fēng)扇和/或散熱器，作為解決特定元件上大多數(shù)冷卻問(wèn)題的萬(wàn)靈藥。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)熱量是在大體積電源或大體型 CPU 中產(chǎn)生的，兩者的體型都足以容納此類冷卻器材。即使在有強(qiáng)制氣流從中穿過(guò)的新一代系統(tǒng)中，依然存在著如何將熱量快速?gòu)脑l(fā)至散熱器的問(wèn)題。導(dǎo)熱界面材料通過(guò)填充加工表面之間的間隙來(lái)提供導(dǎo)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(dǎo)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(shí)也被稱為“填縫材料”。通過(guò)在加工表面之間添加材料以填充縫隙，就可以創(chuàng)建一條通往散熱器的低熱阻路徑。借助適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱界面材料、散熱器和自然或強(qiáng)制對(duì)流路徑建立，就能降低目標(biāo)元件對(duì)環(huán)境的熱阻。

許多設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是該如何選擇使用導(dǎo)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(shuō)放在板與外殼連接處。

02 導(dǎo)熱界面材料和化合物的類型

液體導(dǎo)熱填縫材料

導(dǎo)熱填縫材料具有固體和液體兩種形態(tài)，可用于不同工藝，能同時(shí)能滿足多種產(chǎn)品性能要求。下圖中的填縫材料旨在用作導(dǎo)熱元件和機(jī)箱之間，或熱元件和散熱器之間的界面材料。

這些材料更廣為人知的名字是導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱脂或者導(dǎo)熱凝膠，一些制造商會(huì)交替使用這些術(shù)語(yǔ)?？梢詫⑦@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(jìn)行再加工，因此它們很少用作外殼的界面材料。這些材料可以與絕緣導(dǎo)熱粉體（如氧化鋁、氧化鋅、氧化鎂、氮化鋁、氮化硼等）、金屬填料（通、銀、石墨、單纖維）等混合就能獲得較高的導(dǎo)熱性。其中一個(gè)應(yīng)用范例就是將晶體管、PMIC、放大器、GPU 或 CPU 與散熱器粘接起來(lái)。

導(dǎo)熱脂和相變材料

導(dǎo)熱脂可用絲網(wǎng)印刷解決方案獲得較小的粘合層厚度。相變油脂是比導(dǎo)熱脂更先進(jìn)的替代品，通過(guò)優(yōu)化，可在特定溫度范圍內(nèi)獲得最大的傳熱率。這些材料通常用于通過(guò)機(jī)械力固定并在恒壓下固定到位的散熱器。在操作過(guò)程中，相變材料會(huì)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(guò)程中，可利用絲網(wǎng)印刷這些高粘性層材料以便獲得最小的粘合層厚度。

高導(dǎo)熱系數(shù) PCB 層壓板

當(dāng) PCB 設(shè)計(jì)者想到高導(dǎo)熱層壓板時(shí)，他們往往想到的是金屬芯或陶瓷結(jié)構(gòu)。較新的先進(jìn)樹脂系統(tǒng)具有比標(biāo)準(zhǔn) FR4 級(jí)層壓板更高的導(dǎo)熱系數(shù)，而且不用面對(duì)制造這些替代堆疊品的困難。用作導(dǎo)熱界面材料時(shí)，這些層壓板能夠通過(guò)直接傳導(dǎo)或其他導(dǎo)熱界面材料（如固態(tài)導(dǎo)熱墊）為外殼提供高導(dǎo)熱性。其它潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車電源系統(tǒng)、底板和工業(yè)電子設(shè)備。

導(dǎo)熱墊片

這些預(yù)成形的固態(tài)材料使用上非常簡(jiǎn)單，也可以集成到自動(dòng)化組裝過(guò)程中。雖然導(dǎo)熱墊片一般采用預(yù)成形的形狀，但是也可以根據(jù)所需尺寸進(jìn)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(dǎo)熱需求提供低成本解決方案

2. 電絕緣材料，當(dāng)應(yīng)對(duì) ESD 和隔離問(wèn)題時(shí)可使用此材料

3. 石墨基材料，具有較高的整體導(dǎo)熱特性，尤其是面內(nèi)( in plane) 導(dǎo)熱性，可用于較大元件。

   03 導(dǎo)熱界面材料的甄選

有多種材料規(guī)格適用于導(dǎo)熱界面材料。材料的熱導(dǎo)率或所提供產(chǎn)品的熱阻是要考慮的主要材料屬性，因?yàn)樵撝悼捎米鞣抡婊蛞恍┗居?jì)算中的設(shè)計(jì)目標(biāo)。具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的導(dǎo)熱界面材料提供的導(dǎo)熱率應(yīng)至少達(dá)到 2 W/(m?K)。

很多產(chǎn)品需要考慮電氣和機(jī)械特性，以便在其所需的應(yīng)用中使用。這些特性包括：

1. 擊穿電壓和電阻率：對(duì)于將用于高壓系統(tǒng)的絕緣導(dǎo)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(shí)應(yīng)該考慮機(jī)械特性。

3. 溫度穩(wěn)定性：導(dǎo)熱界面材料應(yīng)該在廣泛的溫度范圍內(nèi)維持可靠的性能，從而確保可靠的熱性能并避免過(guò)早降解老化。

4. 介電常數(shù)：這對(duì)于將連接到 PCB 的導(dǎo)熱墊很重要，因?yàn)殡娊橘|(zhì)的存在會(huì)改變高速/高頻傳輸線的阻抗。介電常數(shù)還會(huì)影響散熱器的EMI輻射。

除了材料特性之外，設(shè)計(jì)者在制造過(guò)程中還應(yīng)該考慮自動(dòng)化組裝過(guò)程，以及將特定解決方案集成到 PCBA或外殼的生產(chǎn)便利性。上述列表中的導(dǎo)熱界面材料具有固態(tài)和液態(tài)兩種形式，這使得設(shè)計(jì)者能夠靈活選擇，找到最適合他們的元件、應(yīng)用和組裝過(guò)程的材料。

04 用導(dǎo)熱界面材料進(jìn)行設(shè)計(jì)：范例

由于散熱器和主動(dòng)冷卻設(shè)計(jì)可能涉及許多仿真測(cè)試，因此人們很容易認(rèn)為導(dǎo)熱界面材料的使用也是如此。實(shí)際上，采用散熱器和導(dǎo)熱界面材料的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算相當(dāng)簡(jiǎn)單，并且遵循電路分析中的一些基本概念。中心思想是計(jì)算堆疊元件 + 界面 + 散熱系統(tǒng)的熱阻，并將其與元件 + 空氣 + 散熱系統(tǒng)作比較。通過(guò)考慮空氣間隙界面的相對(duì)熱導(dǎo)率，可以計(jì)算通過(guò)導(dǎo)熱界面材料和散熱器的元件對(duì)環(huán)境的熱阻的影響而得出預(yù)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(tǒng)通?？梢暈槭且粋€(gè)具有單一維度導(dǎo)熱的多層系統(tǒng)。使用層狀材料的導(dǎo)熱率關(guān)系，可以將具有空氣系統(tǒng)的熱阻與包含導(dǎo)熱界面材料的兩者系統(tǒng)進(jìn)行比較。下方定義了每個(gè)系統(tǒng)的熱阻：

減去兩個(gè)熱阻值之后，可以通過(guò)添加導(dǎo)熱界面材料得出對(duì)環(huán)境熱阻的預(yù)期變化具有以下關(guān)系：

典型的導(dǎo)熱界面材料：上述系統(tǒng)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(guò)與具有 3.5 W/(m?K) 熱阻的 0.5 mm 導(dǎo)熱墊的材料作比較，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 5 mm × 5 mm 的集成電路，底部元件對(duì)環(huán)境熱阻的預(yù)期降低值約為 -3.81 °C/W。

這只是一個(gè)粗略的近似值，但卻說(shuō)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(biāo)元件可能對(duì)環(huán)境熱阻帶來(lái)的變化。這使得設(shè)計(jì)者在選擇散熱器附件中使用的導(dǎo)熱界面材料的時(shí)需要考慮三個(gè)要點(diǎn)：

1.使用熱導(dǎo)率更高的材料，熱量會(huì)更快傳導(dǎo)到周圍環(huán)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?yàn)闊崃勘仨毚┻^(guò)更大一塊導(dǎo)熱界面材料。

3.當(dāng)使用特定材料和厚度時(shí)，覆蓋的范圍越大，熱阻降低程度會(huì)更明顯。

當(dāng)在較大元件或外殼使用導(dǎo)熱界面材料時(shí)，可以使用較薄的界面材料來(lái)補(bǔ)償較多傳導(dǎo)到導(dǎo)熱界面材料的熱量。

05制備導(dǎo)熱界面材料的關(guān)鍵

界面材料要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱性能，離不開導(dǎo)熱粉體的貢獻(xiàn)。常規(guī)導(dǎo)熱粉體如氧化鋁、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼等填料，與有機(jī)基材相容性差，增稠嚴(yán)重，導(dǎo)致施工難度大，易出現(xiàn)氣泡、力學(xué)性能差，導(dǎo)熱不均勻等情況。另外，導(dǎo)熱粉體在熱界面材料中體現(xiàn)出來(lái)的導(dǎo)熱能力不僅與材料本身的熱導(dǎo)率有關(guān)，還與其在體系中的填充量、堆砌緊密程度等因素密切相關(guān)，因此選擇一款合適的導(dǎo)熱粉體，是實(shí)現(xiàn)高效熱管理的關(guān)鍵。

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