导热界面材料选择注意事项.pdf

热界面材料选择的20 个注意事项 前言： 热量经常被认为成电子系统前进发展的限制性因素。低热阻将领航今后的电子 设计，这些方案物有所值，将会迅速发展。虽然热界面通常事后设计，但是它对装 置运行的性能及可靠性有巨大影响。界面材料TIM 在热扩散中的应用可以为工程师 们提供一个有效的办法来适宜封装大小的变化。较使用风扇来说，TIM 可以减小散 热片的尺寸。导热材料在大小空间均可使用，此外，它们还可以起绝缘的作用。 注意事项： 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