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導熱介質材料

  • 一.什麽是導熱介質材料

    導熱介質材料是應用于熱源與散熱器之間,降低接觸面熱阻的一種導熱材料.本身幾乎沒有熱容.根據基材不同有導熱硅膠片,相變化材料,GREASE(導熱硅脂),導熱雙面膠等。
    現在的大部分導熱系數好的導熱介質材料都含有一定量的硅油。
    *導熱介質材料只起到導熱作用,在發熱體與散熱器件之間形成良好的導熱通路,與散熱片,結構固定件(風扇)等一起組成散熱模組。

    二.爲什麽要用導熱介質材料

    *選用導熱硅膠片的最主要目的是減少熱源表面與散熱器件接觸面之間産生的接觸熱阻。接觸熱阻是因爲相互接觸物體接觸面的粗糙度, 平面度,以及接觸物質的表面處理方式而産生的在接觸面之間因熱量傳遞産生的熱阻.接觸熱阻會使得導熱通道不順暢,使得接觸面産生熱積聚,熱源産生的熱量不能迅速有效的傳導到散熱器表面,從而使得熱源的溫度上升更快,以及在面對熱沖擊狀態下産生瞬時過熱死機.
    *導熱介質材料可以很好的填充接觸面的間隙,將空氣擠出接觸面,空氣是熱的不良導體,會嚴重阻礙熱量在接觸面之間的傳遞;有了導熱硅膠片的補充,可以使接觸面更好的充分接觸,真正做到面對面的接觸.在溫度上的反應可以達到10度以上的溫差。

    三.導熱硅膠片的性能優點

    導熱硅膠片相對于導熱硅脂和導熱雙面膠有以下優勢:
    *導熱系數的範圍以及穩定度
    *結構上工藝工差的彌合,降低散熱器和散熱結構件的工藝工差要求
    *EMC,絕緣的性能
    *減震吸音的效果
    *安裝,測試,可重複使用的便捷性
    *導熱系數的範圍以及穩定度
    導熱硅膠片在導熱系數方面可選擇性較大,可以從0.8w/k.m -3.0w/k.m以上,且性能穩定,長期使用可靠.導熱雙面膠目前最高導熱系數不超過1.0w/k.m的,導熱效果不理想;導熱硅脂屬常溫固化工藝,在高溫狀態下易産生表面幹裂,性能不穩定,容易揮發以及流動,導熱能力會逐步下降,不利于長期的可靠系統運作.
    **彌合結構工藝工差,降低散熱器以及散熱結構件的工藝工差要求導熱硅膠片厚度,軟硬度可根據設計的不同進行調節,因此在導熱通道中可以彌合散熱結構,芯片等尺寸工差,降低對結構設計中對散熱器件接觸面的工差要求,特別是對平面度,粗糙度的工差,目前行業內高良率的散熱器加工尺寸工差爲+/-0.25mm,平面度爲0.15mm/30mmx30mm,如果提高加工精度則會在很大程度上提高産品成本,因此導熱硅膠片可以充分增大發熱體與散熱器件的接觸面積,降低了散熱器的生産成本。
    除了傳統的PC行業,現在新的散熱方案就是去掉傳統的散熱器,將結構件和散熱器統一成散熱結構件。在PCB布局中將散熱芯片布局在背面,或在正面布局時,在需要散熱的芯片周圍開散熱孔,將熱量通過銅箔等導到PCB背面,然後通過導熱硅膠片填充建立導熱通道導到PCB下方或側面的散熱結構件(金屬支架,金屬外殼),對整體散熱結構進行優化,同時也降低整個散熱方案的成本。
    **結構上工藝工差的彌合,降低散熱器以及散熱結構件的工藝工差要求導熱雙面膠因厚度原因只能在芯片表面與傳統散熱片粘合,一般來說,散熱片的價格會高于導熱介質材料,但進口導熱介質材料因長期壟斷等原因價格一直比較高。同時因爲導熱雙面膠的厚度很小,一般在0.13mm以內,那樣就對散熱器的平面度要求比較高(在+/-0.1mm),也對芯片的焊接平面度提出了更精確的要求。導熱硅脂的使用也是必須要有散熱器配合,而且對散熱器表面的要求很高,一般塗導熱硅脂對散熱器接觸面要求在+/-0.1mm以內,而且在側面導熱接觸的狀況下很難對多個需散熱的元器件進行很好的充分接觸。
    **EMC,絕緣的性能
    導熱硅膠片因本身材料特性具有絕緣導熱特性,對EMC具有很好的防護,由硅膠材質的原因不容易被刺穿和在受壓狀態下撕裂或破損,EMC可靠性就比較好。導熱雙面膠因其材料本身特性的限制,它對EMC防護性能比較低,很多時候達不到客戶需求,在使用時比較局限,一般只有在芯片本身做了絕緣處理或芯片表面做了EMC防護時才可以使用。導熱硅脂因材料特性本身的EMC防護性能也比較低,很多時候達不到客戶需求,在使用時比較局限,一般只有芯片本身做了絕緣處理或芯片表面做了EMC防護才可以使用。
    **減震吸音的效果
    導熱硅膠片的硅膠載體決定了會有很好彈性和壓縮比,從而有很好減震效果,再調整密度和軟硬度可以産生對低頻電磁噪聲起到很好的吸收作用。導熱雙面膠的粘接使用方式決定了它不具有減震吸音效果。導熱硅脂硬接觸使用方式決定了它不具有減震吸音效果。
    **安裝,測試,可重複使用的便捷性
    導熱硅膠片爲穩定固態,被膠強度可選,拆卸方便;有彈性回複,可重複使用。
    導熱雙面膠一旦使用,不易拆卸,存在損壞芯片和周圍器件的風險,不易拆卸徹底。在刮徹底時,會刮傷芯片表面以及搽拭時帶上粉塵,油汙等幹擾因素,不利于導熱和可靠防護。
    導熱硅脂不能拆卸,必須小心翼翼的搽拭,也不易搽拭徹底,特別在更換導熱介質測試中,會對測試數據的可靠性産生影響,從而影響工程師的判斷。

    四.如何使用導熱硅膠片

    一般在設計初期就要將導熱硅膠片加入到結構設計與硬件、電路設計中。考 量因素一般有:導熱系數考量、結構考量、EMC考量、減震吸音考量、安裝測 試等方面。
    1.選擇散熱方案:
    在機頂盒,PDP等消費性電子的散熱方案中,一般采用被動散熱方式,傳統以散熱 方案爲主;現趨勢是取消散熱片,采用結構散熱件(今屬支架,金屬外殼);或散熱片 方案和散熱結構件方案結合;在不同的系統要求和環境下,選擇性價比最好的方 案.
    2.若采用散熱片方案,不建議直接采用低導熱能力的導熱雙面膠;也不建議采 用不具備減震功能的導熱硅脂;建議采用金屬挂鈎接或塑膠pushpin來操作, 選用0.5mm厚度的導熱硅膠片配合使用,這兩種方案安裝操作方便,還可以不 使用被膠,散熱效果會比導熱雙面膠好很多,更安全可靠。總的成本上包括單 價,人力,設備會更有競爭力。
    選擇散熱結構件類散熱,則需要考慮散熱結構件在接觸面的結構形態局部突起、局部避位等,在結構工藝和導熱硅膠片的尺寸選擇上做好平衡。在工藝允許的條件下盡量建議不選擇特別厚的導熱硅膠片。這裏一般爲操作方便建議采用單面被膠,將帶被膠面貼到散熱結構件上;這裏要特別選擇壓縮比好的,保證一定的壓力給導熱硅膠片。(導熱硅膠片的厚度選擇必須大于散熱結構件與熱源的理論間隙上限工差,一般可以多1mm---2mm。)選擇散熱結構件散熱時也要在PCB布局時考慮元器件的位置,高低和封裝形式,可以將一些熱源放置規律,減少散熱結構件成本。
    3.導熱系數選擇
    導熱系數選擇最主要還是要看熱源功耗大小,以及散熱器或散熱結構的散熱能力大小。一般芯片溫度規格參數比較低,或對溫度比較敏感,或熱流密度比較大(一般大于0.6w/cm3需要做散熱處理,一般表面小于0.04w/cm2時候都只需要自然對流處理就可以)這些芯片或熱源都需要進行散熱處理,並且盡量選擇導熱系數高點的導熱硅膠片。消費電子行業一般不允許芯片結溫高于85度,也建議控制芯片表面在高
    溫測試時候小于75度,整個板卡的元器件也基本采用的是商業級元器件,所以系統內部溫度常溫下建議不超過50度。第一外觀面,或終端客戶受能接觸的面建議溫度在常溫下得低于45度。選擇導熱系數較高的導熱硅膠片可以滿足設計要求和保留一些設計裕度。
    一般芯片表面熱流密度比較小,周圍熱源影響比較小,可以采用導熱系數偏低的導熱硅膠片以減小成本;導熱系數高低是影響導熱硅膠片成本的最大影響因數。尺寸大小,厚度大小都會影響産品成本。
    4.其他參數的選擇參考
    導熱硅膠片大小選擇以覆蓋熱源爲最佳選擇,而不是覆蓋散熱器或散熱結構件的接觸面,選擇尺寸比發熱源大時並不會對散熱有很大改善或提高。
    導熱硅膠片的厚度選擇與産品的密度、硬度、壓縮比等參數相關,建議樣品測試後再確定具體參數。擊穿電壓、介電常數、體積電阻、表面電阻率等則滿足要求就可以,特別是滿足波峰值大小爲最佳。
    考慮到産品費用分攤,降低成本等因素,建議在設計時選擇導熱硅膠片廠商現有的規格型號,直接選用常用規格,不進行特殊處理或形狀,此時需對PCB布局、散熱器形狀、散熱結構件形狀等進行考量。

    五.相變化導熱介質材料的優點

    相變化材料現在主要是固固相變,在面對熱沖擊的狀況下,可以通過相變化吸收一定的熱量,減緩大熱流密度的沖擊.就像在導熱通道上加了一個蓄水池.現在市場上的相變化材料的相變溫度大概是在45℃---50 ℃左右.
    相變化材料主要應用與類似CPU等存在瞬時大熱流密度的熱源上,可以起到很好保護作用,特別是在開機或重新啓動的瞬間.
    主要優缺點歸類:
    有一定的熱容
    熱阻小于導熱硅膠片
    ?厚度薄可以做到0.125mm.
    不易于保存以及安裝
    有硅油析出,影響照明設備的光效
    相變化導熱介質比較合適在消費性電子等産品,特別是筆記本電腦,遊戲機等.但是其可靠性不好,長期在高溫下,其性能會下降,一般使用2年,性能下降約40%-70%.

    六.GREASE的優點

    GREASE也有稱爲導熱膏,是現在業界導熱性能最好,熱阻最小的導熱介質.其材料填充有金屬粉末.現在行業內特別是高端産品的散熱模組中會應用到,如服務器,通信機站等大熱量,敞開式系統中.
    GREASE的主要優缺點歸類:
    熱阻小,導熱性能優異
    厚度薄
    價格昂貴
    絕緣性能不好
    有大量硅油析出
    安裝需要專用工具

    七.導熱雙面膠帶的優點

    導熱雙面膠帶是行業內特別是低導熱系數要求時候的一種優選導熱介質材料.中間填充導熱材料,雙面被膠粘性強,可以有效固定于芯片等表面.適合低功耗大封裝的熱源.
    導熱雙面膠帶的主要優缺點歸類:
    可以省略散熱模組的固定結構
    操作方便
    導熱系數低
    沒有壓縮性,屬于硬性結構.

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