萊爾德技術(shù)白皮書｜如何選擇正確的導(dǎo)熱界面材料
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(xì)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(qiáng)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(biāo)。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(qiáng)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(dāng)?shù)膶?dǎo)熱界面材料、散熱器和自然或強(qiáng)制對流路徑建立，就能降低目標(biāo)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。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(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(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(jī)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。當(dāng) 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(jìn)樹脂系統(tǒng)具有比標(biāo)準(zhǔn) 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。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(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：- 硅或石蠟基材料，為低導(dǎo)熱需求提供低成本解決方案
- 電絕緣材料，當(dāng)應(yīng)對 ESD 和隔離問題時可使用此材料
- 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
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(biāo)。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(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：- 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。
- 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(jī)械特性。
- 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。
- 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(jìn)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(rèn)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(dāng)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(jìn)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(bǔ)償較多傳導(dǎo)到導(dǎo)熱界面材料的熱量。
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