隨著電子技術迅速的發展,使元器件的集成度不斷提高,也導致了功耗和發熱量急劇增大??梢哉f,電子器件的工作溫度直接決定其使用壽命和穩定性,因此散熱己成為微電子系統需重點關注的領域。
有什么辦法可以降低高溫帶來的危害?
面對電子設備大量產熱的挑戰,如今的電子產品越來越重視散熱系統設計。盡管風扇、水冷、液氮等主動散熱方案效果更為顯著,但其必須占用大量空間,以其高昂成本面對消費電子和汽車電子越來越緊湊的設計,時常難以施展拳腳。為了控制設備的體積,就必須要用到界面導熱材料來提高導熱的效率。
什么是界面導熱材料?
TIM界面導熱材料(Thermal Interface Materials)普遍用于IC封裝和散熱器的材料之間,用于填補兩種材料接合時產生的微空隙和表面凹凸不平的孔洞,減少傳熱熱阻,提高散熱性能。
為什么需要界面導熱材料呢?
如果將電子器件和散熱器安裝在一起,由于其表面細微的凹凸不平,它們的實際接觸面積只有底座的10 %左右(取決于散熱器表面的加工精度),其余均為空氣間隙。因為空氣熱傳導系數只有0.025W/m.K左右,是熱的不良導體。這90%的空氣間隙,導致接觸熱阻非常大,最終造成散熱器的效能低下。
TIM能填充間隙并排除其中的空氣,在元件和散熱器間建立有效的熱傳導通道,大幅度低接觸熱阻,從而使散熱器的作用充分地發揮。
選擇導熱材料的時需考慮哪些技術參數?
首先,在選擇導熱材料時,熱傳導系數和熱阻(界面熱阻)這兩個技術參數是必須關注的,參數直接反應產品的導熱性能,但值得注意的是在不同測試方法下,會有不同的測試結果。另外客戶為達到理想的界面填充浸潤性及對脆弱元器件的保護,有時需要較柔軟的界面填充材料。所以楊氏模量的參數也必須考慮進去,低模量的材料更易發生形變,更容易填滿空隙。
針對不同的應用,例如對絕緣性有要求的行業,必須關注抗擊穿電壓或體積電阻。而對硅揮發敏感的器件——如存儲設備, 醫療器械, 光學器件等,則需要選擇無硅體系的產品。
針對不同的產品,所需關注的產品特性也各有不同。例如,如果希望用導熱膠來替代螺絲緊固,其抗剪切強度也是需要關注的。而針對相變導熱材料而言,相變溫度和長期工作溫度非常重要。最后,針對產品的實際使用,其粘稠度、混合比例、可工作時間和固化時間也都是需要了解的。
導熱材料的種類
1、導熱硅脂
導熱硅脂是較早出現的導熱界面材料,常用于功率放大器、晶體管、電子管、CPU等電子器件的散熱,但通常會有硅油析出,時間長了會干,影響導熱效果, 使用年限長的產品不建議使用。
2、導熱填充劑(導熱粘接膠)
導熱粘接膠不僅具有導熱的功效,也是粘接、密封灌封的上佳材料。通過對接觸面或罐狀體的填充, 傳導發熱部件的熱量。
3、熱傳導膠帶
廣泛應用在功率器件與散熱器之間的粘接,能同時實現導熱、絕緣和固定的功能,能有效減小設備的體積,是降低設備成本的有利選擇。
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應用實例
在微電子行業中,導熱膠粘劑的實際應用是連接和保護電子元件,如芯片焊接、底充封膠、封裝和散熱。耐高溫環氧樹脂膠的應用,能使它們可以承受回流焊和提高操作穩定性。
LED芯片的安裝散熱器(見圖3)是導熱膠的典型應用之一。目前的功率發光二極管電源消耗中只有20~25%的能量轉化為可見光,大部分熱量必須被輻射或消散,以保持電子元件溫度低于120℃。溫度過高時,LED燈的光衰將顯著加大。
導熱膠粘劑在安裝LED芯片散熱器上的優點是能夠提供粘合整個區域的機械和散熱性能,因此,熱量消散非常有效。圖4顯示了一個使用導熱膠粘合散熱器的電源LED在工作期間的熱圖像。最高溫度被控制在66℃以下。
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