如何选择正确的导热界面材料

设计者们知道电子产品会散热,某些元件可能会升高到其无法承受的高温｡在一些应用领域,如 5G 电信基础设施､数据中心基础设施和汽车电源管理,过热会导致系统出现故障,这促使设计者要为其系统创新出新颖的冷却解决方案｡这些系统大部分封装在体型十分细小的外壳中,这使得设计者很难或无法应用大型散热器和风扇｡导热界面材料是设计师可用的工具之一,有助于关键元件散热,尤其是在无法获得强制气流的情况下｡

 

越来越多的电气设计者面临着设备外形或散热的挑战,但他们可能不熟悉市场上导热界面材料的选择范围,也不了解如何选择正确的材料搭配以解决特定的设计挑战｡杜邦莱尔德高性能材料部门提供多种导热界面材料选项,可以帮助设计者解决复杂的导热挑战。这些解决方案适用于汽车､电信､数据中心和功率转换系统以及众多其他产品｡在本白皮书中,我们将探索市面上的导热界面材料产品以及挑选这类材料时需要实现的设计目标｡

01为何设计者需要导热界面材料

导热界面材料旨在为两个配合面提供均匀的热触面,尤其在元件及其散热器契合面之间｡在过去,系统设计者通常采用风扇和/或散热器,作为解决特定元件上大多数冷却问题的万灵药｡这是因为大多数热量是在大体积电源或大体型 CPU 中产生的,两者的体型都足以容纳此类冷却器材｡即使在有强制气流从中穿过的新一代系统中,依然存在着如何将热量快速从元件散发至散热器的问题｡导热界面材料通过填充加工表面之间的间隙来提供导热解决方案,确保均匀接触和高传热效率｡同样方法也适用于将外壳作为散热器的情况｡

 

导热界面材料可以填充加工表面之间的空气气隙,如上图所示,因此有时也被称为“填缝材料”｡通过在加工表面之间添加材料以填充缝隙,就可以创建一条通往散热器的低热阻路径｡借助适当的导热界面材料､散热器和自然或强制对流路径建立,就能降低目标元件对环境的热阻｡

许多设计者面临的挑战是该如何选择使用导热界面材料,是用在元件与散热器之间､元件与外壳之间,还是说放在板与外壳连接处｡

02导热界面材料和化合物的类型

导热填缝材料具有固体和液体两种形态,可用于不同工艺,能同时能满足多种产品性能要求｡下图中的填缝材料旨在用作导热元件和机箱之间,或热元件和散热器之间的界面材料｡

液体点胶类填缝材料

这些材料更广为人知的名字是导热膏､导热凝胶或者导热脂,一些制造商会交替使用这些术语｡可以将这些材料直接涂抹在元件上,用作散热器的粘合剂;由于很难进行再加工,因此它们很少用作外壳的界面材料｡这些材料可以与陶瓷填料､金属或金属氧化物填料混合就能获得较高的导热性｡其中一个应用范例就是将晶体管､PMIC､放大器､GPU 或 CPU 与散热器粘接起来｡

导热脂和相变材料

导热脂可用丝网印刷解决方案获得较小的粘合层厚度｡相变油脂是比导热脂更先进的替代品,通过优化,可在特定温度范围内获得最大的传热率｡这些材料通常用于通过机械力固定并在恒压下固定到位的散热器｡在操作过程中,相变材料会固化或液化成粘稠的一层,从而分别释放或吸收潜热｡组装过程中,可利用丝网印刷这些高粘性层材料以便获得最小的粘合层厚度｡

高导热系数 PCB 层压板

当 PCB 设计者想到高导热层压板时,他们往往想到的是金属芯或陶瓷结构｡较新的先进树脂系统具有比标准 FR4 级层压板更高的导热系数,而且不用面对制造这些替代堆叠品的困难｡用作导热界面材料时,这些层压板能够通过直接传导或其他导热界面材料(如固态导热垫)为外壳提供高导热性｡其它潜在的应用领域包括汽车电源系统､底板和工业电子设备｡

导热垫

这些预成形的固态材料使用上非常简单,也可以集成到自动化组装过程中｡虽然导热垫一般采用预成形的形状,但是也可以根据所需尺寸进行模切｡它们适合用在平面元件上以接合散热器,或者直接附在外壳上｡这些材料有多种成分:

 

1、硅或石蜡基材料,为低导热需求提供低成本解决方案；

2、电绝缘材料,当应对 ESD 和隔离问题时可使用此材料；

3、石墨基材料,具有较高的整体导热特性,尤其是面内( in plane) 导热性,可用于较大元件。

03导热界面材料的甄选

有多种材料规格适用于导热界面材料｡材料的热导率或所提供产品的热阻是要考虑的主要材料属性,因为该值可用作仿真或一些基本计算中的设计目标｡具市场竞争力的导热界面材料提供的导热率应至少达到 2 W/(m•K)｡

很多产品需要考虑电气和机械特性,以便在其所需的应用中使用｡这些特性包括:

1、击穿电压和电阻率:对于将用于高压系统的绝缘导热界面材料,这两种特性非常重要；

2、杨氏模量:某些材料具有减振效果,因此选择材料时应该考虑机械特性；

3、温度稳定性:导热界面材料应该在广泛的温度范围内维持可靠的性能,从而确保可靠的热性能并避免过早降解老化；

4、介电常数:这对于将连接到 PCB 的导热垫很重要,因为电介质的存在会改变高速/高频传输线的阻抗｡介电常数还会影响散热器的EMI辐射｡

除了材料特性之外,设计者在制造过程中还应该考虑自动化组装过程,以及将特定解决方案集成到 PCBA或外壳的生产便利性｡上述列表中的导热界面材料具有固态和液态两种形式,这使得设计者能够灵活选择,找到最适合他们的元件､应用和组装过程的材料｡

04用导热界面材料进行设计:范例

由于散热器和主动冷却设计可能涉及许多仿真测试,因此人们很容易认为导热界面材料的使用也是如此｡实际上,采用散热器和导热界面材料的系统的设计计算相当简单,并且遵循电路分析中的一些基本概念｡中心思想是计算堆叠元件 + 界面 + 散热系统的热阻,并将其与元件 + 空气 + 散热系统作比较｡通过考虑空气间隙界面的相对热导率,可以计算通过导热界面材料和散热器的元件对环境的热阻的影响而得出预期降低的热阻抗值｡

采用散热器､元件及两者之间界面的系统通常可视为是一个具有单一维度导热的多层系统｡使用层状材料的导热率关系,可以将具有空气系统的热阻与包含导热界面材料的两者系统进行比较｡下方定义了每个系统的热阻:

 

减去两个热阻值之后,可以通过添加导热界面材料得出对环境热阻的预期变化具有以下关系:

典型的导热界面材料:上述系统中的空气厚度比在 10:1 到 1000:1 之间,具体取决于加工散热器的表面粗糙度和元件的连接表面｡通过与具有 3.5 W/(m•K) 热阻的 0.5 mm 导热垫的材料作比较,可以发现,对于 5 mm × 5 mm 的集成电路,底部元件对环境热阻的预期降低值约为 -3.81 °C/W｡

这只是一个粗略的近似值,但却说明了元件及其散热器中的各种因素如何影响热传输,以及目标元件可能对环境热阻带来的变化｡这使得设计者在选择散热器附件中使用的导热界面材料的时需要考虑三个要点:

1、使用热导率更高的材料,热量会更快传导到周围环境中, 使其热阻降低的程度较高；

2、若使用更厚的材料,其热阻降低程度较少,因为热量必须穿过更大一块导热界面材料；

3、当使用特定材料和厚度时,覆盖的范围越大,热阻降低程度会更明显。

当在较大元件或外壳使用导热界面材料时,可以使用较薄的界面材料来补偿较多传导到导热界面材料的热量｡