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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