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節，對整個散熱系統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增加，整個散熱系統面臨著巨大的挑戰，為了有效的將核心die的熱量散發出去，不少芯片已經去掉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，漢高針對性研發出高導熱相變材料Hi-Flow THF 5000UT，其主要特性如下：
高導熱系數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：
1. 熱阻-最能體現其性能的核心值
基于D5470的測試方法，Hi-Flow THF 5000UT的熱阻表現相當不錯，低壓力狀況下其熱阻值還優于目前市面上為數不多的高導熱相變材料，而穩定的熱阻表現能夠允許更大的裝配應力范圍。
2. 相變溫度低，且快速進入穩定的低熱阻狀態
Hi-Flow THF5000UT可以在40℃開始熔化并在45℃迅速進入相對穩定的一個熱阻表現，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，發揮導熱作用。
3.可靠性 – 經得起時間的錘煉
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的熱阻表現在經歷了長時間烘烤后更為優秀。
而THF 5000UT在Nvidia板卡的可靠性測試表現也是非常不錯的：
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，對比發現：
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整體布局和風道需求；
■ 100W:1U機箱，電源和系統交換芯片共用風道；
■ 700W:根據端口形態需求設計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，需根據實際系統方案綜合考量（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°，而芯片節溫要求小于110°C的要求（環境溫度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：環境溫度50°，交換設備滿帶寬穩定運行兩小時，測試結果如下：
基于以上測試數據，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生揮發，在長時間使用后會產生硅油分離，出現pump out現象，進而影響導熱性能；
有數據表明，在典型的逆變器中，界面材料和散熱模組占據系統總熱阻的比例已超過80%。隨著光伏系統能量密度的持續提升，作為新能源傳輸系統的核心部件的IGBT和SiC模組等功率芯片的散熱問題逐漸成為行業持續迭代的瓶頸。
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，將成為這類產品理想的改進方案。
隨著電子產品向小型化，集成化，輕薄化，高性能化持續演進，數字芯片和功率模組的熱流密度都在持續增加，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；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并通過持續創新為行業健康發展添磚加瓦。
注：文中部分圖源來自網絡，僅做技術交流
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