熱界面材料選擇的20個(gè)注意事項(xiàng)

admin 2011-08-24

熱界面材料選擇的20個(gè)注意事項(xiàng)
Gary Fenical and Richard Elrick
Laird Technologies（萊爾德）

前言：
熱量經(jīng)常被認(rèn)為成電子系統(tǒng)前進(jìn)發(fā)展的限制性因素。低熱阻將領(lǐng)航今后的電子設(shè)計(jì)，這些方案物有所值，將會(huì)迅速發(fā)展。雖然熱界面通常事后設(shè)計(jì)，但是它對裝置運(yùn)行的性能及可靠性有巨大影響。界面材料TIM在熱擴(kuò)散中的應(yīng)用可以為工程師們提供一個(gè)有效的辦法來適宜封裝大小的變化。較使用風(fēng)扇來說，TIM可以減小散熱片的尺寸。導(dǎo)熱材料在大小空間均可使用，此外，它們還可以起絕緣的作用。

注意事項(xiàng)：

1．首先，熱接觸面的成分要確定。它是半導(dǎo)體，IGBT（絕緣柵雙極晶體管），MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），散熱片，冷卻極板或者其他的。板面上的實(shí)際成分可能會(huì)限制TIM的類型，如果是一個(gè)CPU或者GPU，將使用高性能的產(chǎn)品，如果你試圖改變成分的不同高度，可以使用間隙填充劑。如果你有絕緣的需要，可以選用絕緣體。以下是各種熱界面材料：
相變材料（PCM）：該材料柔軟或者在50-100度間融化，可填充兩表面的空隙，減小其間的熱阻；
間隙填充劑：產(chǎn)品可填充表面見0.254-0.508mm（0.01-0.02英寸）的間隙，使用該填充劑可減小熱傳導(dǎo)材料的熱阻；
Putty：極軟的間隙填充劑，可以壓縮到原始尺寸的50%；
導(dǎo)熱膏：可減小接合面的熱阻，該物質(zhì)可在兩表面間產(chǎn)生很小的聯(lián)結(jié)厚度；
絕緣體：降低熱阻的絕緣材料；
高性能材料：熱阻在0.1℃-in²/w（0.65℃-cm²/w）以下的相變材料或者導(dǎo)熱膏
2．測定要擴(kuò)散的熱量大小十分重要（一般以w為單位）。如果你試圖散發(fā)大熱量，就該選用性能好的導(dǎo)熱膏或者填充劑，在封裝過程中，低熱阻產(chǎn)品可以帶走更過的熱量。
3．弄清楚熱接觸點(diǎn)的鎖合方式：普通的有螺栓，彈力夾箍，碟形墊圈等等，如果是螺栓性的，可使用間隙填充劑或者絕緣體類的，如果是固定間隙，那么應(yīng)注意間隙的最大和最小尺寸，封裝設(shè)計(jì)決定了這個(gè)變化。彈力夾箍，碟形墊圈（乃至有壓力的情況下）型應(yīng)選高性能材料；
4．界面尺寸和面積：大面積產(chǎn)品首選填充劑型的，空隙和表面的不平整均可被填充，小面積產(chǎn)品沒有這個(gè)限制，故可采用高性能型。分界點(diǎn)是25.4mm*25.4mm，當(dāng)然也有例外。一般來講，大尺寸產(chǎn)品（如76.2mm*101.6mm，即3in*4in），填充劑型可以很好的填充整個(gè)表面，與產(chǎn)品表面的平整度和是否刨光關(guān)系不大。如果你使用0.508mm（20mil）的填充劑，它可以局部是20mil，局部是15mil，5mil或者更厚點(diǎn)的填充劑，可以在1-3mil間使用，但是在4-5mil間使用很困難，因?yàn)镻CM很難保持5mil的狀態(tài)，他會(huì)流動(dòng)或者溢出，將會(huì)影響表面的清潔度。這點(diǎn)上大面積的要比小面積（變化細(xì)微）的受影響大些。
5．為了更有效的散熱，界面的溫度范圍要確定，間隙填充劑的使用范圍是-40到200度之間，高性能材料大多數(shù)的使用溫度是-25到125度，所以二者的使用參數(shù)應(yīng)保持一致。
6．熱表面的鎖合壓力是決定選用哪種材料的一個(gè)因素。如果鎖合壓力在0.14到0.34MPa（20-50PSI），可選用間隙填充劑。如果壓力大于0.34MPa（50PSI），高性能材料則更合適一些，當(dāng)然也有例外。如果壓力太高，而采用硅樹脂基間隙填充劑的話，累積的熱量會(huì)使硅樹脂流出，留在板上的成分隨之改變。如果很小的壓力采用高性能材料的話，界面熱阻就不能最優(yōu)化。如果設(shè)計(jì)基于X等級的熱阻，而實(shí)際熱阻是Y級，那么熱量將不能如預(yù)期的散發(fā)，熱問題和熱失敗也就難免了。
7．決定于附屬成分的條件（如BGA）的熱接合點(diǎn)的壓力限制和焊接限制是否可以預(yù)防疲勞問題呢？PCB板的饒度壓力也應(yīng)該考慮到。如果板安裝在BGA或者另外的精密成分將會(huì)使剛性板發(fā)生扭曲變形，這種情況下，一些軟材料更合適一些，它們不象其它材料一樣要在板上施加很大的壓力，很低的壓力（小于0.07mpa，即小于10psi）。putty和軟的間隙填充劑適合BGA，因?yàn)樗鼈儾恍枰邏呵仪驙罱Y(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)間隙填充物質(zhì)。
8．材料的類型，表面處理，熱接合點(diǎn)的表面平整度也是重要因素。好的刨光表面或者機(jī)械表面（如軍用，航空設(shè)備）使用高性能材料或者空隙填充劑都沒問題。如果是鑄造品或者擠出成型的則該使用間隙填充劑，因?yàn)樗鼈兛梢杂行У奶畛溟g隙，處理表面不平。
9．確定界面材料是否需要絕緣?，F(xiàn)在有導(dǎo)電熱材料，如石墨填充的；間隙填充物是絕緣的；相變類及導(dǎo)熱膏則不能完全確定，如果很厚的話，它們之間沒有空穴，為絕緣型，如果產(chǎn)生空穴且存在金屬離子，則導(dǎo)電。
10.界面材料是否可循環(huán)使用？雖然推薦更換使用過的界面材料，但是某些情況下間隙填充劑可再次利用。高性能材料則必須更換，PCM類的最好在它們還熱的時(shí)候更換，室溫下處理要困難點(diǎn)。
11．考慮界面是水平或者垂直方向。間隙填充劑用在垂直方向要好一點(diǎn)，高性能的也可以，具體情況咨詢廠家。
12．震動(dòng)因素：間隙填充劑吸收震動(dòng)要優(yōu)于高性能材料。
13．如果是在真空條件下，產(chǎn)品可變硬滿足NASA抽氣條件。
14．如果你必須撤出硅樹脂，如belcore，仍有可滿足belcore標(biāo)準(zhǔn)的硅樹脂基產(chǎn)品。
15．很多情況下有UL阻燃要求，很多TIM材料是HB和V0級，絕緣型和大多數(shù)高性能材料是94v0級。當(dāng)然也有許多的可能性，建議聯(lián)系權(quán)威專家。
16．模具切割可以降低材料成本。如方角代替圓角可以共享鋼模rail，這樣可以節(jié)約圓角產(chǎn)品的角和凹槽材料。
17．如果熱襯墊需要粘性壓力敏感材料或者安裝時(shí)候需要粘性材料，那么有些材料本身就有粘性。說明：粘性不代表永久黏接，仍然需要一些鎖合裝置。粘性僅僅是安裝過程中的黏接，要避免誤用，注意粘性和導(dǎo)熱并不成正比，熱性能決定于材料的厚度。
18．如果在拆卸時(shí)熱襯墊需要留在一個(gè)表面上，某些處理過的材料可以做到這點(diǎn)。
19．如果某些情況下，安裝過程中熱襯墊需要“滑動(dòng)”，也有一些表面光滑的材料是理想的選擇。也可提供支持滑動(dòng)和插入的載體。石墨材料由于本身特性也是優(yōu)秀的滑動(dòng)材料。
20．有些最終要求決定于特殊封裝要求，如kiss-cut，rolls或者special liners，使用TIM產(chǎn)品可以支持這些封裝和外形，如果是某些產(chǎn)品考慮價(jià)格節(jié)約成本，可以使用性能差點(diǎn)的產(chǎn)品；如果某些產(chǎn)品空間很小，成本要求不嚴(yán)格，高性能材料可以使封裝最佳化。
結(jié)論：
本文集中了熱界面材料選擇的20個(gè)重要的因素，當(dāng)然也還有其他因素要考慮。產(chǎn)品的老化，壓縮性，熱循環(huán)等因素可以由供應(yīng)商提供。
Gary Fenical
EMC Technical Sales Representative
NARTE Certified EMC & ESD Engineer
Laird Technologies
Delaware Water Gap, PA 18327
Tel: (570) 424-8510 ext. 1177

Rick Elrick
Territory Sales Manager
Laird Technologies, Inc.
Tel: 216-233-0171