說到散熱解決方案，相信大家都知道熱的三種傳輸方式（熱傳導/熱輻射/熱對流），而熱傳導是所有散熱方式中的必要環(huán)節(jié)，對整個散熱系統(tǒng)的效率起到至關重要的作用。熱傳導是在兩個存在極細微凹凸不平的固體表面進行，為了將間隙中的不良導體空氣“擠”出以達到較低的總體接觸熱阻，熱界面材料成為不可或缺的重要介質。
圖2 電子器件熱界面狀態(tài)及熱流方向上熱阻示意圖
圖3-芯片散熱模型1
然而，隨著高算力邏輯芯片和功率芯片功耗和熱流密度的持續(xù)增加，整個散熱系統(tǒng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，為了有效的將核心die的熱量散發(fā)出去，不少芯片已經(jīng)去掉LID來降低傳導熱阻，成為裸die，如上述提到的博通TH5。如此一來，導熱界面材料只有TIM1.5，可以更加快速的傳遞芯片的熱量。
導熱界面材料種類繁多，但能同時適用于這兩種芯片散熱模型的并不多見，漢高最新推出的超高導熱相變材料貝格斯Hi-Flow THF 5000UT恰恰可以滿足。
相變導熱材料是利用聚合物技術以高性能的有機高分子材料為主體，以高導熱性材料、相變填充料等材料為輔精制而成的導熱材料，適用于散熱器與各種產(chǎn)生高熱量功率元器件間的熱量傳遞。
為了滿足大功率芯片在工作過程中高溫及變形問題，漢高針對性研發(fā)出高導熱相變材料Hi-Flow THF 5000UT，其主要特性如下：
高導熱系數(shù)8.5W/m.K，低壓力狀況下低熱阻
相變溫度40-50℃
極低的BLT，良好的界面浸潤性，無需預熱
高可靠性
低粘性，易返修
下面，讓我們來詳細的了解下Hi-Flow THF 5000UT的測試參數(shù)：
1. 熱阻-最能體現(xiàn)其性能的核心值
基于D5470的測試方法，Hi-Flow THF 5000UT的熱阻表現(xiàn)相當不錯，低壓力狀況下其熱阻值還優(yōu)于目前市面上為數(shù)不多的高導熱相變材料，而穩(wěn)定的熱阻表現(xiàn)能夠允許更大的裝配應力范圍。
2. 相變溫度低，且快速進入穩(wěn)定的低熱阻狀態(tài)
Hi-Flow THF5000UT可以在40℃開始熔化并在45℃迅速進入相對穩(wěn)定的一個熱阻表現(xiàn)，不需要像其他同導熱率相變材料一般需要提前預熱，以保證材料相變化后能更快更好的填充固體間隙，發(fā)揮導熱作用。
3.可靠性 – 經(jīng)得起時間的錘煉
關注熱阻值的同時，工程師更為關注的應該是產(chǎn)品的長期可靠性，Hi-Flow THF 5000UT進行完整的可靠性測試，測試完畢后材料無位移，無泵出：
■ 150℃ 烘烤1000hrs 熱阻0.03℃.cm2/W
■ 85℃, 85%RH, 1000hrs 熱阻0.045℃.cm2/W
■ -25℃-125℃，1000cycles 熱阻0.042℃.cm2/W
基于同一測試平臺，相較Competitor A，Hi Flow THF 5000UT的熱阻表現(xiàn)在經(jīng)歷了長時間烘烤后更為優(yōu)秀。
而THF 5000UT在Nvidia板卡的可靠性測試表現(xiàn)也是非常不錯的：
從芯片散熱模型可以得知，對于高功率芯片，裸die已經(jīng)逐漸成為主流，如下為100W及700W（裸Die）交換芯片的整體散熱解決方案，對比發(fā)現(xiàn)：
在700W的高功率交換機中，高功率相變導熱材料可大幅降低傳導熱阻，降低芯片結溫，同時大大減少散熱器尺寸和重量，對系統(tǒng)布局友好
對于熱流密度超過10W/cm2的場景，導熱墊，導熱凝膠等高熱阻界面材料，會帶來明顯的溫升，嚴重影響整個散熱系統(tǒng)的效率及設計難度；
接下來，讓我們詳細了解100W及700W交換芯片的整體散熱方案：
結構設計一般需滿足系統(tǒng)整體布局和風道需求；
■ 100W:1U機箱，電源和系統(tǒng)交換芯片共用風道；
■ 700W:根據(jù)端口形態(tài)需求設計2U/4U機箱，風道需考慮電源/交換芯片風道隔離，使風盡量通過散熱器以降低散熱器熱阻。
影響界面材料選型因素較多，需根據(jù)實際系統(tǒng)方案綜合考量（詳見下文）:
■ 100W:相變材料/硅基導熱墊；
■ 700W:相變材料/高導熱硅脂。
VC或者熱管模組成為超大功率散熱器的主流選型，但高昂價格及廠商之間的加工水平參差不齊成為最大缺點；散熱器除滿足基本的散熱需求外，還需要考慮散熱器彈簧螺釘對芯片的壓力，而機械振動、成本以及安裝問題更是低熱阻大尺寸散熱器要關注的問題；
■ 100W:鋁合金鏟齒散熱器160*100*30mm；
■ 700W:銅VC散熱器模組350*100*70mm。
風扇選型除滿足風壓要求，同步需考慮機房噪音相關標準要求。
■ 100W:1U設備 4組4028或者4056風扇，20000RPM左右；
■ 700W:高靜壓風扇，4組8080風扇（2U）/8組8080風扇（4U）12000RPM左右。
圖8：1U系統(tǒng)機箱示意圖（4pcs 4056Fan 風向：前進后出）
某品牌硅基導熱墊6.5W/m·k（理論熱阻1.44℃·cm2/k@40psi）
■ 功耗100W，熱源接觸面積40mm*40mm，經(jīng)計算界面材料理論上引起的溫升僅有9°C，OK；
■ 大功率700W時，die尺寸小于40mm*40mm，以此值進行計算，界面材料引起的溫升將高達56°，而芯片節(jié)溫要求小于110°C的要求（環(huán)境溫度50℃），理論設計失敗。
某品牌相變材料 8 W/m·k（理論熱阻0.06 C·cm2/k @40psi）
■ 功耗100W，芯片引起的理論溫升基本可以忽略；
■ 大功率700W，同樣以40mm*40mm計算，界面材料引起的溫升不會超過10°，理論可以滿足要求。
理論推算完畢后針對不同界面材料進行如下測試：環(huán)境溫度50°，交換設備滿帶寬穩(wěn)定運行兩小時，測試結果如下：
基于以上測試數(shù)據(jù)，高導熱硅脂及相變材料看上去都能滿足要求。然而，導熱硅脂由于其分子結構中二甲基硅油易產(chǎn)生揮發(fā)，在長時間使用后會產(chǎn)生硅油分離，出現(xiàn)pump out現(xiàn)象，進而影響導熱性能；
有數(shù)據(jù)表明，在典型的逆變器中，界面材料和散熱模組占據(jù)系統(tǒng)總熱阻的比例已超過80%。隨著光伏系統(tǒng)能量密度的持續(xù)提升，作為新能源傳輸系統(tǒng)的核心部件的IGBT和SiC模組等功率芯片的散熱問題逐漸成為行業(yè)持續(xù)迭代的瓶頸。
圖11：逆變器熱阻模型
導熱硅脂目前依然是IGBT模組散熱的主流，但易干燥，易泵出的缺陷導致硅脂在越來越多的大尺寸場景出現(xiàn)性能問題，漢高這款高導熱相變材料有著出色的低熱阻，高可靠性，將成為這類產(chǎn)品理想的改進方案。
隨著電子產(chǎn)品向小型化，集成化，輕薄化，高性能化持續(xù)演進，數(shù)字芯片和功率模組的熱流密度都在持續(xù)增加，封裝方式也在不斷演進，對界面材料的適應性都提出了新的挑戰(zhàn)；高導熱相變材料因其高延展性，高可靠性無疑是很多大功率場景下的絕佳選擇。當然，熱設計是個系統(tǒng)工程，傳熱性能和結構組裝方式，PCBA平面度，芯片封裝方式，芯片抗壓能力等都有密切關系，漢高公司將持之以恒關注散熱趨勢和挑戰(zhàn)并通過持續(xù)創(chuàng)新為行業(yè)健康發(fā)展添磚加瓦。
注：文中部分圖源來自網(wǎng)絡，僅做技術交流
—— 感謝閱讀 ——
標簽： 點擊： 評論: