熱界面材料選擇的20個注意事項
Gary Fenical and Richard Elrick
Laird Technologies（萊爾德）

前言：
熱量經常被認為成電子系統前進發展的限制性因素。低熱阻將領航今后的電子設計，這些方案物有所值，將會迅速發展。雖然熱界面通常事后設計，但是它對裝置運行的性能及可靠性有巨大影響。界面材料TIM在熱擴散中的應用可以為工程師們提供一個有效的辦法來適宜封裝大小的變化。較使用風扇來說，TIM可以減小散熱片的尺寸。導熱材料在大小空間均可使用，此外，它們還可以起絕緣的作用。

注意事項：

1． 首先，熱接觸面的成分要確定。它是半導體，IGBT（絕緣柵雙極晶體管），MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），散熱片，冷卻極板或者其他的。板面上的實際成分可能會限制TIM的類型，如果是一個CPU或者GPU，將使用高性能的產品，如果你試圖改變成分的不同高度，可以使用間隙填充劑。如果你有絕緣的需要，可以選用絕緣體。以下是各種熱界面材料：
相變材料（PCM）：該材料柔軟或者在50-100度間融化，可填充兩表面的空隙，減小其間的熱阻；
間隙填充劑：產品可填充表面見0.254-0.508mm（0.01-0.02英寸）的間隙，使用該填充劑可減小熱傳導材料的熱阻；
Putty：極軟的間隙填充劑，可以壓縮到原始尺寸的50%；
導熱膏：可減小接合面的熱阻，該物質可在兩表面間產生很小的聯結厚度；
絕緣體：降低熱阻的絕緣材料；
高性能材料：熱阻在0.1℃-in²/w（0.65℃-cm²/w）以下的相變材料或者導熱膏
2． 測定要擴散的熱量大小十分重要（一般以w為單位）。如果你試圖散發大熱量，就該選用性能好的導熱膏或者填充劑，在封裝過程中，低熱阻產品可以帶走更過的熱量。
3． 弄清楚熱接觸點的鎖合方式：普通的有螺栓，彈力夾箍，碟形墊圈等等，如果是螺栓性的，可使用間隙填充劑或者絕緣體類的，如果是固定間隙，那么應注意間隙的最大和最小尺寸，封裝設計決定了這個變化。彈力夾箍，碟形墊圈（乃至有壓力的情況下）型應選高性能材料；
4． 界面尺寸和面積：大面積產品首選填充劑型的，空隙和表面的不平整均可被填充，小面積產品沒有這個限制，故可采用高性能型。分界點是25.4mm*25.4mm，當然也有例外。一般來講，大尺寸產品（如76.2mm*101.6mm，即3in*4in），填充劑型可以很好的填充整個表面，與產品表面的平整度和是否刨光關系不大。如果你使用0.508mm（20mil）的填充劑，它可以局部是20mil，局部是15mil，5mil或者更厚點的填充劑，可以在1-3mil間使用，但是在4-5mil間使用很困難，因為PCM很難保持5mil的狀態，他會流動或者溢出，將會影響表面的清潔度。這點上大面積的要比小面積（變化細微）的受影響大些。
5． 為了更有效的散熱，界面的溫度范圍要確定，間隙填充劑的使用范圍是-40到200度之間，高性能材料大多數的使用溫度是-25到125度，所以二者的使用參數應保持一致。 
6． 熱表面的鎖合壓力是決定選用哪種材料的一個因素。如果鎖合壓力在0.14到0.34MPa（20-50PSI），可選用間隙填充劑。如果壓力大于0.34MPa（50PSI），高性能材料則更合適一些，當然也有例外。如果壓力太高，而采用硅樹脂基間隙填充劑的話，累積的熱量會使硅樹脂流出，留在板上的成分隨之改變。如果很小的壓力采用高性能材料的話，界面熱阻就不能最優化。如果設計基于X等級的熱阻，而實際熱阻是Y級，那么熱量將不能如預期的散發，熱問題和熱失敗也就難免了。
7． 決定于附屬成分的條件（如BGA）的熱接合點的壓力限制和焊接限制是否可以預防疲勞問題呢？PCB板的饒度壓力也應該考慮到。如果板安裝在BGA或者另外的精密成分將會使剛性板發生扭曲變形，這種情況下，一些軟材料更合適一些，它們不象其它材料一樣要在板上施加很大的壓力，很低的壓力（小于0.07mpa，即小于10psi）。putty和軟的間隙填充劑適合BGA，因為它們不需要高壓且球狀結構優于傳統間隙填充物質。
8． 材料的類型，表面處理，熱接合點的表面平整度也是重要因素。好的刨光表面或者機械表面（如軍用，航空設備）使用高性能材料或者空隙填充劑都沒問題。如果是鑄造品或者擠出成型的則該使用間隙填充劑，因為它們可以有效的填充間隙，處理表面不平。
9． 確定界面材料是否需要絕緣。現在有導電熱材料，如石墨填充的；間隙填充物是絕緣的；相變類及導熱膏則不能完全確定，如果很厚的話，它們之間沒有空穴，為絕緣型，如果產生空穴且存在金屬離子，則導電。
10.界面材料是否可循環使用？雖然推薦更換使用過的界面材料，但是某些情況下間隙填充劑可再次利用。高性能材料則必須更換，PCM類的最好在它們還熱的時候更換，室溫下處理要困難點。
11．考慮界面是水平或者垂直方向。間隙填充劑用在垂直方向要好一點，高性能的也可以，具體情況咨詢廠家。
12．震動因素：間隙填充劑吸收震動要優于高性能材料。
13．如果是在真空條件下，產品可變硬滿足NASA抽氣條件。
14．如果你必須撤出硅樹脂，如belcore，仍有可滿足belcore標準的硅樹脂基產品。
15．很多情況下有UL阻燃要求，很多TIM材料是HB和V0級，絕緣型和大多數高性能材料是94v0級。當然也有許多的可能性，建議聯系權威專家。
16．模具切割可以降低材料成本。如方角代替圓角可以共享鋼模rail，這樣可以節約圓角產品的角和凹槽材料。
17．如果熱襯墊需要粘性壓力敏感材料或者安裝時候需要粘性材料，那么有些材料本身就有粘性。說明：粘性不代表永久黏接，仍然需要一些鎖合裝置。 粘性僅僅是安裝過程中的黏接，要避免誤用，注意粘性和導熱并不成正比，熱性能決定于材料的厚度。
18．如果在拆卸時熱襯墊需要留在一個表面上，某些處理過的材料可以做到這點。
19．如果某些情況下，安裝過程中熱襯墊需要“滑動”，也有一些表面光滑的材料是理想的選擇。也可提供支持滑動和插入的載體。石墨材料由于本身特性也是優秀的滑動材料。
20．有些最終要求決定于特殊封裝要求，如kiss-cut，rolls或者special liners，使用TIM產品可以支持這些封裝和外形，如果是某些產品考慮價格節約成本，可以使用性能差點的產品；如果某些產品空間很小，成本要求不嚴格，高性能材料可以使封裝最佳化。
結論：
本文集中了熱界面材料選擇的20個重要的因素，當然也還有其他因素要考慮。產品的老化，壓縮性，熱循環等因素可以由供應商提供。
Gary Fenical
EMC Technical Sales Representative
NARTE Certified EMC & ESD Engineer
Laird Technologies
Delaware Water Gap, PA 18327
Tel: (570) 424-8510 ext. 1177

Rick Elrick
Territory Sales Manager
Laird Technologies, Inc.
Tel: 216-233-0171
 

 

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