热量导出——导热界面材料的选用

目录
热量导出——导热界面材料的选用        2
1 热量转移路径——为什么需要界面材料        2
2 导热界面材料定义及种类        2
2.1导热界面材料定义        2
2.2导热界面材料的种类        2
3 导热界面材料的选用需要关注的属性        4
3.1 材料自身属性        4
3.2 应用场景因素        5
4 导热界面材料的实例运用        6
5 外延阅读        6
附言        8
联系作者        8


 
热量导出——导热界面材料的选用
1 热量转移路径——为什么需要界面材料
受限于机械加工精度，刚性接触面间存在极细微的凹凸不平的空隙。当这些空隙对于产品的特定功能产生不利影响时，就需要采用一定手段将这些空隙消除。在产品散热设计中，热量首先从芯片内部发热点传递到芯片表面，然后从芯片表面再传递到载热介质中。当芯片热流密度较大，需要采用散热器等散热强化手段时，如果散热器与芯片表面之间直接接触，就会形成刚性接触面。此时，接触面间的空隙会使得热量的传递变得困难。需要采取手段将这些空隙消除，最常用的手段，就是在此接触面间填充高导热柔性材料。由于其应用场景正处于刚性接触界面，因此，这类材料又称为导热界面材料。
2 导热界面材料定义及种类
2.1导热界面材料定义
导热界面材料（Thermal Interface Materials），一种用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少传热接触热阻，提高器件散热性能的材料。
热管理的核心目的是控制器件的温度，而接触热阻对2温度的量化影响与表面热流密度呈正相关。在当代，一个显著的趋势是：芯片的热流密度越来越大，~100W/cm2的芯片已成常态。此时，单纯普通导热衬垫造成的导热温差就已经达到~100℃，导热界面材料在热管理设计中作用越来越关键。
2.2导热界面材料的种类
2.2.1导热硅脂
导热硅脂俗称散热膏，目视为半流态膏状。导热硅脂以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料，制成的导热型有机硅脂状复合物。
优点：性价比高，厚度极小，热阻低。
缺点：操作不便，需要特制工装；
稳定性难保证，长时间高温使用将有硅油析出，性能衰减；
没有减震吸声效果；
绝缘性能不佳；
无法弥合高度容差。
2.2.2导热衬垫
导热衬垫又称导热硅胶片、导热硅胶垫、导热矽胶片、软性导热垫，以固态形式呈现。
导热衬垫是以硅胶为基材,添加金属氧化物等各种辅材，通过特殊工艺合成的一种导热介质材料，是专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产,能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位间的热传递，同时还起到绝缘、减震、密封等作用,能够满足设备小型化及超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性，且厚度适用范围广，是一种极佳的导热填充材料。
优点：
•1）导热衬垫的导热系数的范围以及稳定度
•2）导热衬垫在结构上工艺工差的弥合,降低散热器和散热结构件的工艺工差要求
•3）导热衬垫具有绝缘的性能 。
•4）导热衬垫具减震吸音的效果 。
•5）导热衬垫具有安装，测试，可重复使用的便捷性。
缺点：成本相对较高；
      热阻相对较大。
2.2.3导热相变化材料
•相变化材料(PCM - Phase Change Material)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变化材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程。材料在装配时以固态形式呈现，当温度到特定值时，材料变化成液态。相变材料在热应用中经历了从固态到半固态的转变，高功耗瞬间冲击状态下，相变材料可以通过自身相变吸热，从而避免器件温度的突增。这种材料在芯片工作条件下处于液态相。相变材料具有几个优点，包括与接合面的密接性和不凝固性等。
相变材料的优缺点类似硅脂。某些测试显示，PCM在高温下的表现以及长期应用时性能的维持表现较硅脂而言更加优异。
2.2.4 导热双面胶
•导热双面胶又称导热胶带，是由压克力聚合物填充导热陶瓷粉末，与有机硅胶粘剂复合而成。具有高导热和绝缘的特性，并具有柔软性、压缩性、服帖性、强粘性。适应温度范围大，可填补不平整的表面，能紧密牢固地贴合热源器件和散热片，将热量快速传导出去。
•优点 ：一般粘接其他散热片与发热设备的用法很便捷，将导热双面贴置于发热片与散热片之间，加力压紧，散热片即被牢牢固定在发热片上，使用简单便捷，利于提高生产效率。其散热效果比一般的散热贴纸效果明显，大大提升了元件的寿命，是一些高端且需导热的电子产品的首选。
•注意点：对粘接的表面要求高，印刷和电镀的表面不宜用。

2.2.5 导热石墨片
从某种意义上讲，导热石墨片非常薄，仅十几或几十微米（厚度越薄，平面方向的当量导热系数越高）。但石墨片弹性很小，一般而言，较少用于刚性界面之间，而是利用其平面方向的高导热性消除局部热点。石墨片散热效率高、占用空间小、重量轻，在终端等电子消费类产品中应用广泛。
•优点：导热系数高、材料比较薄、性价比高、纵向导热性能强，可有效均热。
•弱点：不绝缘、材料脆、无弹性。
2.2.6 导热胶
又称导热硅胶。是以有机硅胶为主体，添加填充料、导热材料等高分子材料，混炼而成的硅胶，具有较好的导热、电绝缘性能，广泛用于电子元器件。又称：导热硅胶，导热硅橡胶，导热矽胶，导热矽利康。促进剂固化,丙烯酸酯.用于将变压器,晶体管和其它发热元件粘接到印刷电路板组装件或散热器上。
从常规应用角度上比较，倾向于使用导热胶而不是导热双面胶带。导热胶不能弥合公差，具体装配操作中，不确定性较大，所粘贴的部件有脱落风险。不同类型的导热胶适用的工作温度、导热系数有很大差异。
3 导热界面材料的选用需要关注的属性
界面材料的选用，需要综合界面材料的特点和具体应用场景而定。笔者结合设计经验，从内外两个方面对界面材料需要考虑的因素进行总结。
3.1 材料自身属性
当获取一款新的界面材料时，需要关注如下属性，方便后续选用：
1)        热阻；
2)        导热系数；
3)        厚度空间（空间填充性能）；
4)        硬度；
5)        弹性；
6)        阻燃等级；
7)        成本；
8)        储存周期；
9)        施加到产品上时的难度和效率；
10)        可重复利用属性；
11)        产品返修时是否方便拆除；
12)        性能随时间的衰减曲线；
13)        化学成分；
14)        介电常数和绝缘属性；
15)        黏度；
16)        工作温度范围；
17)        工作状态挥发难度；
18)        粘性；
19)        减震吸声效果；
20)        抗热冲击性能。
3.2 应用场景因素
界面材料归根结底是降低热量的传导难度，需要明确问题特点。
1)        应用场景热流密度；
2)        热界面材料的方向（考虑流态界面材料垂流可能）
3)        绝缘要求；
4)        高度容差；
5)        接触面材料；
6)        接触面表面处理情况；
7)        阻燃等级要求；
8)        界面材料运行时的温度范围；
9)        散热手段允许占用的空间；
10)        产品返修率；
11)        产品运行过程中可能出现的收到界面材料挥发的影响（如LED的应用可能导致影响发光质量、消费类电子可能影响外观）；
12)        减震吸声要求；
13)        成本要求。
4 导热界面材料的实例运用
参看第三届中国热设计网电子产品热设计交流会PPT讲稿。

5 外延阅读
附界面材料选型注意事项20条，总结的非常到位，参考中国热设计网帖子，帖子地址如下：https://www.resheji.com/Info/resheji/118.html：
1．首先，热接触面的成分要确定。它是半导体，IGBT（绝缘栅双极晶体管），MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），散热片，冷却极板或者其他的。板面上的实际成分可能会限制TIM的类型，如果是一个CPU或者GPU，将使用高性能的产品，如果你试图改变成分的不同高度，可以使用间隙填充剂。如果你有绝缘的需要，可以选用绝缘体。以下是各种热界面材料：
相变材料（PCM）：该材料柔软或者在50-100度间融化，可填充两表面的空隙，减小其间的热阻；
间隙填充剂：产品可填充表面见0.254-0.508mm（0.01-0.02英寸）的间隙，使用该填充剂可减小热传导材料的热阻；
Putty：极软的间隙填充剂，可以压缩到原始尺寸的50%；
导热膏：可减小接合面的热阻，该物质可在两表面间产生很小的联结厚度；
绝缘体：降低热阻的绝缘材料；
高性能材料：热阻在0.1℃-in2/w（0.65℃-cm2/w）以下的相变材料或者导热膏
2．测定要扩散的热量大小十分重要（一般以w为单位）。如果你试图散发大热量，就该选用性能好的导热膏或者填充剂，在封装过程中，低热阻产品可以带走更过的热量。
3．弄清楚热接触点的锁合方式：普通的有螺栓，弹力夹箍，碟形垫圈等等，如果是螺栓性的，可使用间隙填充剂或者绝缘体类的，如果是固定间隙，那么应注意间隙的最大和最小尺寸，封装设计决定了这个变化。弹力夹箍，碟形垫圈（乃至有压力的情况下）型应选高性能材料；
4．界面尺寸和面积：大面积产品首选填充剂型的，空隙和表面的不平整均可被填充，小面积产品没有这个限制，故可采用高性能型。分界点是25.4mm*25.4mm，当然也有例外。一般来讲，大尺寸产品（如76.2mm*101.6mm，即3in*4in），填充剂型可以很好的填充整个表面，与产品表面的平整度和是否刨光关系不大。如果你使用0.508mm（20mil）的填充剂，它可以局部是20mil，局部是15mil，5mil或者更厚点的填充剂，可以在1-3mil间使用，但是在4-5mil间使用很困难，因为PCM很难保持5mil的状态，他会流动或者溢出，将会影响表面的清洁度。这点上大面积的要比小面积（变化细微）的受影响大些。
5．为了更有效的散热，界面的温度范围要确定，间隙填充剂的使用范围是-40到200度之间，高性能材料大多数的使用温度是-25到125度，所以二者的使用参数应保持一致。  
6．热表面的锁合压力是决定选用哪种材料的一个因素。如果锁合压力在0.14到0.34MPa（20-50PSI），可选用间隙填充剂。如果压力大于0.34MPa（50PSI），高性能材料则更合适一些，当然也有例外。如果压力太高，而采用硅树脂基间隙填充剂的话，累积的热量会使硅树脂流出，留在板上的成分随之改变。如果很小的压力采用高性能材料的话，界面热阻就不能最优化。如果设计基于X等级的热阻，而实际热阻是Y级，那么热量将不能如预期的散发，热问题和热失败也就难免了。
7．决定于附属成分的条件（如BGA）的热接合点的压力限制和焊接限制是否可以预防疲劳问题呢？PCB板的饶度压力也应该考虑到。如果板安装在BGA或者另外的精密成分将会使刚性板发生扭曲变形，这种情况下，一些软材料更合适一些，它们不象其它材料一样要在板上施加很大的压力，很低的压力（小于0.07mpa，即小于10psi）。putty和软的间隙填充剂适合BGA，因为它们不需要高压且球状结构优于传统间隙填充物质。
8．材料的类型，表面处理，热接合点的表面平整度也是重要因素。好的刨光表面或者机械表面（如军用，航空设备）使用高性能材料或者空隙填充剂都没问题。如果是铸造品或者挤出成型的则该使用间隙填充剂，因为它们可以有效的填充间隙，处理表面不平。
9．确定界面材料是否需要绝缘。现在有导电热材料，如石墨填充的；间隙填充物是绝缘的；相变类及导热膏则不能完全确定，如果很厚的话，它们之间没有空穴，为绝缘型，如果产生空穴且存在金属离子，则导电。
10.界面材料是否可循环使用？虽然推荐更换使用过的界面材料，但是某些情况下间隙填充剂可再次利用。高性能材料则必须更换，PCM类的最好在它们还热的时候更换，室温下处理要困难点。
11．考虑界面是水平或者垂直方向。间隙填充剂用在垂直方向要好一点，高性能的也可以，具体情况咨询厂家。
12．震动因素：间隙填充剂吸收震动要优于高性能材料。
13．如果是在真空条件下，产品可变硬满足NASA抽气条件。
14．如果你必须撤出硅树脂，如belcore，仍有可满足belcore标准的硅树脂基产品。
15．很多情况下有UL阻燃要求，很多TIM材料是HB和V0级，绝缘型和大多数高性能材料是94v0级。当然也有许多的可能性，建议联系权威专家。
16．模具切割可以降低材料成本。如方角代替圆角可以共享钢模rail，这样可以节约圆角产品的角和凹槽材料。
17．如果热衬垫需要粘性压力敏感材料或者安装时候需要粘性材料，那么有些材料本身就有粘性。说明：粘性不代表永久黏接，仍然需要一些锁合装置。 粘性仅仅是安装过程中的黏接，要避免误用，注意粘性和导热并不成正比，热性能决定于材料的厚度。
18．如果在拆卸时热衬垫需要留在一个表面上，某些处理过的材料可以做到这点。
19．如果某些情况下，安装过程中热衬垫需要“滑动”，也有一些表面光滑的材料是理想的选择。也可提供支持滑动和插入的载体。石墨材料由于本身特性也是优秀的滑动材料。
20．有些最终要求决定于特殊封装要求，如kiss-cut，rolls或者special liners，使用TIM产品可以支持这些封装和外形，如果是某些产品考虑价格节约成本，可以使用性能差点的产品；如果某些产品空间很小，成本要求不严格，高性能材料可以使封装最佳化。

附言
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Thanks！
Leon

整理介绍的好详细。