电子设备热设计中热界面材料的使用与设计要点

  电子设备热设计中热界面材料的使用与设计要点

  0 引 言

  随着电子设备越来越复杂化,热量的传导路径一般都会变长,热量从发热器件传导至散热器不可避免地会经过各种界面,并在界面上产生接触热阻。较高的接触热阻也会导致电子设备温度升高,影响其使用寿命及可靠性。因而,热界面材料(Thermal Interface Materials,TIMs)的使用对于电子设备散热来说是极为重要的,目前市场上可以找到多种TIMs,其物理形式包括黏性脂、软性固体、凝胶体等。实际上,市场上的散热材料令人眼花缭乱,并且测试方法、产品参数、使用方式五花八门,各种材料的性能差异很大。

  对于设计人员来说,为研发的产品选择合适的TIMs是项非常困难的任务,大部分趋势是将重点放在材料的体热导率上,但导热率并非TIMs的唯一选择指标。因而,综合比较各类TIMs的性能,探寻适于电子设备采用的TIMs产品,以及其使用方式方法和工艺,最大程度降低界面热阻,对于我们研制更高质量的产品是非常重要的。

  1 热界面材料的种类

  目前,国内外均有大量专业从事TIMs开发的公司,它们开发出大量各种类型的TIMs产品,可以大致分类如下:

  1. 导热垫(硅胶):模数低、可导热的弹性体,用于芯片和散热器之间的间隙。

  2. 导热硅脂:具有出色的“浸润”能力,能够降低接触热阻,但存在变干和流出问题。

  3. 相变材料:常温时为固体状态,受热温度升高后转变为流体状态,可以降低接触热阻。

  4. 热凝胶:模数很低的硅基材料,能够提供像油脂一样的低热阻。

  5.现场成型化合物:可以填充复杂几何体的间隙,并且很快固化。

  6.金属箔:薄片状的柔软金属材料,具有很高的导热率。

  不同界面材料的详细具体特性分析可以查看:不同类型界面材料(ThermaI Interface Materials TIM )的特性与材料性质分析

  目前,贝格斯(Bergquist)公司有大量各种类型的热界面材料商业化产品,道康宁公司开发出各种新型导热薄膜和导热衬垫,如TP-1600薄膜和TP-2400衬垫,以及TC-5021导热脂;保利马(Polymatech)公司开发出导热率高达50W/(m·K)的高热界面材料;美国研究人员通过电聚合过程使聚合纤维排成整齐阵列,形成一种新型热界面材料,导热性能在原有基础上提高数倍。国内的TIMs产品种类相对较少,且性能与国外同类产品有一定差距。

  2 热界面材料的设计要点

  在电子设备中,PCB板上的功率器件产生的热量通过热界面材料传递至冷板散热器中,再通过对流和辐射的方式传递到周围环境或热沉中。

  在整个热传递的过程中,热界面材料处的热阻最大,所以热界面材料的设计在整个系统的热设计中是非常关键的。在对器件进行热界面材料设计时,需要考虑热界面材料的压缩率和导热性能,器件高度和最大允用压强等因素。

  1. 热界面材料的导热热阻。一般情况下,热界面材料的厚度越大,导热热阻也越大。以贝格斯的某型热界面材料为例,热界面材料的导热热阻随热界面材料厚度成线性递增,见图1。

  2. 热界面材料的压缩应力。为了保证接触面和热界面材料紧密贴合,热界面材料在使用时会进行一定程度的压缩。热界面材料的压缩应力随压缩程度的增加而增加。以某型热界面材料为例,热界面材料的压缩应力随热界面材料压缩率增大而增大。在设计热界面材料时,应确保热界面材料的压缩应力小于器件的最大许用应力。

  3. 热界面材料的绝缘要求。当热界面材料用于PCB板,器件或者其它电气场合时,通常要求热界面材料具有较强的导热能力,而且还要求热界面材料具有绝缘性能,防止热界面材料被高电压击穿而发生短路。通常,热界面材料在用于在以下场合时要求绝缘:

  a.金属封装器件与金属冷板之间。为防止器件外壳和金属冷板发生短路,需要热界面材料具有绝缘性能;

  b. 金属封装器件与PCB板之间。由于PCB板表面埋有铜线,为了防止PCB板表层油膜磨损,而使铜线和器件生发生短路,需要在金属封装器件和PCB板之间增加绝缘型的热接触材料。

  c. PCB板焊点的面与金属冷板之间。部分特殊的器件需要利用焊点进行散热,为了防止焊点与金属冷板之间短路,需要热界面材料具有绝缘性能。

  4. 器件高度误差的影响。由于受到焊接工艺,封装类型和安装形式等因素影响,器件焊接后的高度通常不是一个固定的值,而是在一定的范围内变化。器件手册中给出的器件高度通常包括器件高度的最大值和最小值。

  例如器件PC7447手册中给出,器件焊接后的最大高度为2.20mm,最小高度为1.92mm。所以,在进行热界面材料设计时应该考虑器件高度的影响;

  5. 散热冷板设计。散热冷板在设计时,为避免多个尺寸造成累计误差,凡与散热有关的尺寸,需从结构件与PCB板安装面起标注尺寸,具体如图3所示,应直接标注尺寸C,而不是A和B。

  6. 热界面材料的调节范围。根据以上分析,由于器件高度和冷板加工公差等因素的影响下,热界面材料的安装间隙实现是在一定范围内变化的,这就要求热界面材料在安装时具有一定的调节范围。

  表1中列举了常见厚度的热界面材料在压缩量为5%~25%之间时的调节范围。可以得出,厚度越大的热界面材料的调节能力越大。

  7. 热界面材料的均匀性。热界面材料在安装时,需要一定的预紧力来确保热界面材料与接触面之间贴合紧密,减小接触热阻,起到加强散热的作用。

  在安装热界面材料时,若单个热界面材料的面积较大,在预紧力的作用下,热接触材料容易出现局部扩展不均匀,出现鼓包等情况,导致局部压缩应力过大,对器件造成不良的影响。

  因此,对于单个面积较大的热界面材料,应在材料中部予以开槽,确保热界面材料在安装时可以扩展均匀,并且可以有效地降低热界面材料压缩所产生的应力。当单个界面材料面积大于800mm2时,建议在热界面材料中心位置开十字槽,建议尺寸如图4所示,对于其他形状的热界面材料应根据实际情况开槽。

  例如:对于细长型的热界面材料,中间开一字槽即可。对于特别外形的器件,如图5所示,需要根据器件外形来开槽。

  不同界面材料的选用与设计方法可以查看:界面材料之导热垫的选用与设计方法

  3 结 论

  在使用热界面材料时,要综合考虑热界面材料的压缩率和导热性能、器件高度和最大允用压强等因素,才能得到较好的散热效果。本文总结了热界面材料的设计要点,对于电子设备热设计中热界面材料的使用和设计有一定指导作用。

  「来源: |中科聚智

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