設(shè)計者們知道電子產(chǎn)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(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,過熱會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障,這促使設(shè)計者要為其系統(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小的外殼中,這使得設(shè)計者很難或無法應(yīng)用大型散熱器和風(fēng)扇?導(dǎo)熱界面材料是設(shè)計師可用的工具之一,有助于關(guān)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(shè)計者面臨著設(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,可以幫助設(shè)計者解決復(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?在本白皮書中,我們將探索市面上的導(dǎo)熱界面材料產(chǎn)品以及挑選這類材料時需要實現(xiàn)的設(shè)計目標?
01為何設(shè)計者需要導(dǎo)熱界面材料
導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計者通常采用風(fēng)扇和/或散熱器,作為解決特定元件上大多數(shù)冷卻問題的萬靈藥?這是因為大多數(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?即使在有強制氣流從中穿過的新一代系統(tǒng)中,依然存在著如何將熱量快速從元件散發(fā)至散熱器的問題?導(dǎo)熱界面材料通過填充加工表面之間的間隙來提供導(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(chuàng)建一條通往散熱器的低熱阻路徑?借助適當?shù)膶?dǎo)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(huán)境的熱阻?
許多設(shè)計者面臨的挑戰(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,還是說放在板與外殼連接處?
02導(dǎo)熱界面材料和化合物的類型
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(dǎo)熱膏?導(dǎo)熱凝膠或者導(dǎo)熱脂,一些制造商會交替使用這些術(shù)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(dǎo)熱性?其中一個應(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?
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)熱脂更先進的替代品,通過優(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(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 PCB 設(shè)計者想到高導(dǎo)熱層壓板時,他們往往想到的是金屬芯或陶瓷結(jié)構(gòu)?較新的先進樹脂系統(tǒng)具有比標準 FR4 級層壓板更高的導(dǎo)熱系數(shù),而且不用面對制造這些替代堆疊品的困難?用作導(dǎo)熱界面材料時,這些層壓板能夠通過直接傳導(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
這些預(yù)成形的固態(tài)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(dǎo)熱墊一般采用預(yù)成形的形狀,但是也可以根據(jù)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(dǎo)熱需求提供低成本解決方案；
2、電絕緣材料,當應(yīng)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(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,因為該值可用作仿真或一些基本計算中的設(shè)計目標?具市場競爭力的導(dǎo)熱界面材料提供的導(dǎo)熱率應(yīng)至少達到 2 W/(m?K)?
很多產(chǎn)品需要考慮電氣和機械特性,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,因此選擇材料時應(yīng)該考慮機械特性；
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早降解老化；
4、介電常數(shù):這對于將連接到 PCB 的導(dǎo)熱墊很重要,因為電介質(zhì)的存在會改變高速/高頻傳輸線的阻抗?介電常數(shù)還會影響散熱器的EMI輻射?
除了材料特性之外,設(shè)計者在制造過程中還應(yīng)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(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)計者能夠靈活選擇,找到最適合他們的元件?應(yīng)用和組裝過程的材料?
04用導(dǎo)熱界面材料進行設(shè)計:范例
由于散熱器和主動冷卻設(shè)計可能涉及許多仿真測試,因此人們很容易認為導(dǎo)熱界面材料的使用也是如此?實際上,采用散熱器和導(dǎo)熱界面材料的系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)的熱阻,并將其與元件 + 空氣 + 散熱系統(tǒng)作比較?通過考慮空氣間隙界面的相對熱導(dǎo)率,可以計算通過導(dǎo)熱界面材料和散熱器的元件對環(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)通常可視為是一個具有單一維度導(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)進行比較?下方定義了每個系統(tǒng)的熱阻:
減去兩個熱阻值之后,可以通過添加導(dǎo)熱界面材料得出對環(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),對于 5 mm × 5 mm 的集成電路,底部元件對環(huán)境熱阻的預(yù)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(huán)境熱阻帶來的變化?這使得設(shè)計者在選擇散熱器附件中使用的導(dǎo)熱界面材料的時需要考慮三個要點:
1、使用熱導(dǎo)率更高的材料,熱量會更快傳導(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,因為熱量必須穿過更大一塊導(dǎo)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(dǎo)熱界面材料時,可以使用較薄的界面材料來補償較多傳導(dǎo)到導(dǎo)熱界面材料的熱量?
信息來源:萊爾德
標簽： 點擊： 評論: