導(dǎo)熱界面材料的在實際工程中的選用考慮因素

leon2016 2017-06-14

界面材料的選用，需要綜合界面材料的特點和具體應(yīng)用場景而定。筆者結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，從內(nèi)外兩個方面對界面材料需要考慮的因素總結(jié)如下。

1 內(nèi)部：材料自身屬性

當(dāng)獲取一款新的界面材料時，需要關(guān)注如下屬性，方便后續(xù)選用：

熱阻隨壓力的變化曲線；
導(dǎo)熱系數(shù)；
厚度空間（空間填充性能）；
硬度；
彈性；
拉伸強(qiáng)度；
阻燃等級；
環(huán)保認(rèn)證；
成本；
儲存周期；
施加到產(chǎn)品上時的難度和效率；
可重復(fù)利用屬性；
產(chǎn)品返修時是否方便拆除；
性能隨時間的衰減曲線；
化學(xué)成分；
介電常數(shù)和絕緣屬性；
黏度；
工作溫度范圍；
工作狀態(tài)揮發(fā)難度；
粘性；
減震吸聲效果；
抗熱沖擊性能。

2 外部：分析應(yīng)用場景

界面材料歸根結(jié)底是降低熱量的傳導(dǎo)難度，需要明確問題特點，結(jié)合具體使用場景，選擇合適的材料。分析考量的場景因素包括但不限于如下幾條：

應(yīng)用場景熱流密度；
熱界面材料的方向（考慮流態(tài)界面材料垂流可能）
絕緣要求；
高度容差；
接觸面許用應(yīng)力；
接觸面材料；
接觸面表面處理情況；
阻燃等級要求；
產(chǎn)品環(huán)保要求；
界面材料運行時的溫度范圍；
散熱手段允許占用的空間；
產(chǎn)品返修率；
產(chǎn)品運行過程中可能出現(xiàn)的收到界面材料揮發(fā)的影響（如LED的應(yīng)用可能導(dǎo)致影響發(fā)光質(zhì)量、消費類電子可能影響外觀）；
減震吸聲要求；
成本要求。

具體的工程應(yīng)對策略，可以參考如下20條注意事項。

附：界面材料選型注意事項20條

1．首先，熱接觸面的成分要確定。它是半導(dǎo)體，IGBT（絕緣柵雙極晶體管），MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)熱膏：可減小接合面的熱阻，該物質(zhì)可在兩表面間產(chǎn)生很小的聯(lián)結(jié)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(dǎo)熱膏
2．測定要擴(kuò)散的熱量大小十分重要（一般以w為單位）。如果你試圖散發(fā)大熱量，就該選用性能好的導(dǎo)熱膏或者填充劑，在封裝過程中，低熱阻產(chǎn)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(yīng)注意間隙的最大和最小尺寸，封裝設(shè)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(yīng)選高性能材料；
4．界面尺寸和面積：大面積產(chǎn)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(chǎn)品沒有這個限制，故可采用高性能型。分界點是25.4mm*25.4mm，當(dāng)然也有例外。一般來講，大尺寸產(chǎn)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(chǎn)品表面的平整度和是否刨光關(guān)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(tài)，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(xì)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(shù)的使用溫度是-25到125度，所以二者的使用參數(shù)應(yīng)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(dāng)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(yōu)化。如果設(shè)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(yù)期的散發(fā)，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(yù)防疲勞問題呢？PCB板的饒度壓力也應(yīng)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(fā)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(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)間隙填充物質(zhì)。
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(jī)械表面（如軍用，航空設(shè)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(xiàn)在有導(dǎo)電熱材料，如石墨填充的；間隙填充物是絕緣的；相變類及導(dǎo)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(chǎn)生空穴且存在金屬離子，則導(dǎo)電。
10.界面材料是否可循環(huán)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(yōu)于高性能材料。
13．如果是在真空條件下，產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)的硅樹脂基產(chǎn)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(shù)高性能材料是94v0級。當(dāng)然也有許多的可能性，建議聯(lián)系權(quán)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(jié)約圓角產(chǎn)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(dǎo)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(yōu)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(chǎn)品可以支持這些封裝和外形，如果是某些產(chǎn)品考慮價格節(jié)約成本，可以使用性能差點的產(chǎn)品；如果某些產(chǎn)品空間很小，成本要求不嚴(yán)格，高性能材料可以使封裝最佳化。