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什么是导热界面材料?

2022.09.20 11:48:51   Clicks

随着电子技术迅速的发展,使元器件的集成度不断提高,也导致了功耗和发热量急剧增大。可以说,电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性,因此散热己成为微电子系统需重点关注的领域。



什么是导热界面材料?


有什么办法可以降低高温带来的危害?


面对电子设备大量产热的挑战,如今的电子产品越来越重视散热系统设计。尽管风扇、水冷、液氮等主动散热方案效果更为显著,但其必须占用大量空间,以其高昂成本面对消费电子和汽车电子越来越紧凑的设计,时常难以施展拳脚。为了控制设备的体积,就必须要用到界面导热材料来提高导热的效率。


什么是界面导热材料?


TIM界面导热材料(Thermal Interface Materials)普遍用于IC封装和散热器的材料之间,用于填补两种材料接合时产生的微空隙和表面凹凸不平的孔洞,减少传热热阻,提高散热性能。


为什么需要界面导热材料呢?


如果将电子器件和散热器安装在一起,由于其表面细微的凹凸不平,它们的实际接触面积只有底座的10 %左右(取决于散热器表面的加工精度),其余均为空气间隙。因为空气热传导系数只有0.025W/m.K左右,是热的不良导体。这90%的空气间隙,导致接触热阻非常大,最终造成散热器的效能低下。


导热材料


TIM能填充间隙并排除其中的空气,在元件和散热器间建立有效的热传导通道,大幅度低接触热阻,从而使散热器的作用充分地发挥。


选择导热材料的时需考虑哪些技术参数?


首先,在选择导热材料时,热传导系数和热阻(界面热阻)这两个技术参数是必须关注的,参数直接反应产品的导热性能,但值得注意的是在不同测试方法下,会有不同的测试结果。另外客户为达到理想的界面填充浸润性及对脆弱元器件的保护,有时需要较柔软的界面填充材料。所以杨氏模量的参数也必须考虑进去,低模量的材料更易发生形变,更容易填满空隙。


导热材料


针对不同的应用,例如对绝缘性有要求的行业,必须关注抗击穿电压或体积电阻。而对硅挥发敏感的器件——如存储设备, 医疗器械, 光学器件等,则需要选择无硅体系的产品。

针对不同的产品,所需关注的产品特性也各有不同。例如,如果希望用导热胶来替代螺丝紧固,其抗剪切强度也是需要关注的。而针对相变导热材料而言,相变温度和长期工作温度非常重要。最后,针对产品的实际使用,其粘稠度、混合比例、可工作时间和固化时间也都是需要了解的。


导热材料的种类


1、导热硅脂

导热硅脂是较早出现的导热界面材料,常用于功率放大器、晶体管、电子管、CPU等电子器件的散热,但通常会有硅油析出,时间长了会干,影响导热效果, 使用年限长的产品不建议使用。

2、导热填充剂(导热粘接胶)

导热粘接胶不仅具有导热的功效,也是粘接、密封灌封的上佳材料。通过对接触面或罐状体的填充, 传导发热部件的热量。

3、热传导胶带

广泛应用在功率器件与散热器之间的粘接,能同时实现导热、绝缘和固定的功能,能有效减小设备的体积,是降低设备成本的有利选择。


应用实例


在微电子行业中,导热胶粘剂的实际应用是连接和保护电子元件,如芯片焊接、底充封胶、封装和散热。耐高温环氧树脂胶的应用,能使它们可以承受回流焊和提高操作稳定性。

LED芯片的安装散热器是导热胶的典型应用之一。目前的功率发光二极管电源消耗中只有20~25%的能量转化为可见光,大部分热量必须被辐射或消散,以保持电子元件温度低于120℃。温度过高时,LED灯的光衰将显著加大。


导热胶粘剂在安装LED芯片散热器上的优点是能够提供粘合整个区域的机械和散热性能,因此,热量消散非常有效。推荐阅读《【导热硅脂的应用】大功率LED利用导热硅脂的散热结构和原理解析


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