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导热界面材料的在实际工程中的选用考虑因素

leon2016 界面材料 2017-06-14 23:06:39

 

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总结如下。

 

 

 


 

 

1 内部: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:

  • 热阻随压力的变化曲线;

  • 导热系数;

  • 厚度空间(空间填充性能);

  • 硬度;

  • 弹性;

  • 拉伸强度;

  • 阻燃等级;

  • 环保认证;

  • 成本;

  • 储存周期;

  • 施加到产品上时的难度和效率;

  • 可重复利用属性;

  • 产品返修时是否方便拆除;

  • 性能随时间的衰减曲线;

  • 化学成分;

  • 介电常数和绝缘属性;

  • 黏度;

  • 工作温度范围;

  • 工作状态挥发难度;

  • 粘性;

  • 减震吸声效果;

  • 抗热冲击性能。

     

     

     



 


 

 

2 外部:分析应用场景

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,结合具体使用场景,选择合适的材料。分析考量的场景因素包括但不限于如下几条:

  • 应用场景热流密度;

  • 热界面材料的方向(考虑流态界面材料垂流可能)

  • 绝缘要求;

  • 高度容差;

  • 接触面许用应力;

  • 接触面材料;

  • 接触面表面处理情况;

  • 阻燃等级要求;

  • 产品环保要求;

  • 界面材料运行时的温度范围;

  • 散热手段允许占用的空间;

  • 产品返修率;

  • 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);

  • 减震吸声要求;

  • 成本要求。


具体的工程应对策略,可以参考如下20条注意事项。


附:界面材料选型注意事项20条


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。

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