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聊一聊電子器件的熱界面材料
2020年09月07日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:138
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隨著電子電器的集成密度和功率密度的不斷增加,大功率LED的興起等,電子器件在工作時會釋放出很多熱量,導熱性能差會使電器工作環境溫度急劇上升,影響電子器件運行穩定性甚至造成器件損壞,如果不采取點積極措施它們分分鐘就被自己放出的超額熱量“燒壞腦子了”,據稱電子元器件的溫度每升高2℃,其可靠性下降10%!,舉個鮮活的例子,電腦跟手機一發燙就卡死的煩惱誰還沒體驗過呢。而目前熱界面材料與其他器件相比熱導率相差幾個數量級,因此熱界面材料已成為提高電子產品散熱性能的瓶頸之一,下文咱們來一起聊聊“熱界面材料”。

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電子電器界不得不得說材料:TIM

一、了解一下熱界面材料

熱界面材料(ThermalInterfaceMaterialsTIM)是一種用于兩種材料間的填充物,是熱傳遞的重要橋梁。兩種材料相互接合時,無論是同種材料還是兩種不同的材料,即使材料表面平整度很好或施加很大的扣合壓力,仍無法達到緊密接觸,只能是部分接觸,中間一定仍然存在許多微細空隙或孔洞,如下圖a所示。空隙間的空氣為熱傳導率相當差的傳熱介質,會阻礙熱傳導的路徑,增加熱阻抗。因此,需要填充一種熱界面材料于兩種接合材料間,以填補空隙,增進熱的傳遞效率,降低熱阻抗,如下圖b所示。它是一種應用相當廣泛而且非常重要的材料。

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有TIM及冇TIM示意圖

如上所述,熱界面材料主要用于填補兩種材料接觸面間的空隙,降低熱阻抗,因此,熱傳導系數K就是評估熱界面材料的重要特性之一。熱界面材料應具備以下基本特性可壓縮性及柔軟性高熱傳導性低熱阻尼表面濕潤性適當的黏性對扣合壓力的敏感性要高使用方便可重復使用冷熱循環的穩定性好等特點

高分子材料聚合物材料能夠很好的滿足以上要求,但是一般的高分子材料高能的本征導熱高分子除外,實在太貴消費不起熱傳導系數最好的也只有0.1-0.2W/m.K左右,熱傳遞能力實在是差極,所以往往需要添加熱傳導率較高20-1000W/m.K的無機粉末或金屬粉末或石墨粉來制備成聚合物基導熱復合材料改善其熱傳導性。導熱復合材料中,常用金屬導熱填料有Cu、Ag、Al等;而在要求一定絕緣性能的情況下,需要選用非金屬導熱填料,比如陶瓷類,如MgO、Al2O3、BN、AlN等,石墨烯、碳納米管、金剛石等也是現在研究熱門對象,此外,也可將多種填料混合使用。

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二、熱界面材料的分類

依其TIM特性不同及發展可簡單分成幾類∶導熱膏、彈性導熱布、相變型導熱膠、導熱凝膠、導熱黏膠及導熱帶等。

↓↓↓各種導熱界面材料特征

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↓↓↓各種導熱界面材料優缺點

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1、導熱膏(導熱硅脂)

導熱膏是一種傳統的散熱材料粘稠狀的液體,具有較強的粘性。一般約在100-400Pa壓力下使用,其界面熱阻值大約在0.2-1.0K·cm2/W左右。基材主要成分是硅油和非硅質的高分子聚合物導熱填充料一般以AIN及ZnO為主,也可以選用BN、Al2O3或SiC等陶瓷粉末或鋁粉、銀粉、石墨粉,甚至金剛石粉末等來提升其熱傳導性。但要特別注意這些填充料在基材內的分散性及混合后的粘性控制。

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導熱膏由于不需要固化處理屬于液態材料,因此可以添加較高體積比的填充料,熱傳導率比其他熱界面材料高。目前市售的導熱膏的熱傳導率通常介于2-6W/m.K之間,好的可大于8W/m·K,熱阻約介于0.2-0.6W/m·K。導熱膏本身具有一定的流動性,不需要太高的扣合壓力,經壓縮后其接合厚度可以變得相當薄,對降低熱阻有很大幫助。但缺點是易產生溢出及相分離問題

2.彈性導熱布

彈性導熱布是由導熱膏衍生出來的一種散熱材料,一般主要是由在聚硅氧烷橡膠化合物中添加各種不同導熱粉體(如 BN、Al2O3等)所構成,且以玻璃纖維布作載體形成容易操作的固體形態。加工操作較簡單,一般在 700KPa 左右的壓力下使用,其界面熱阻值約為1.0-3.0K*cm2/W。彈性導熱布可用于標準 TO型晶體管的熱管理組裝技術上

3、相變導熱材料(PhaseChangeMaterials,PCMs

相變導熱材料可以是有機材料也可以是金屬合金。相變導熱材料融合了導熱膠和導熱油脂的雙重有點,在達到相變溫度前,其特性與導熱膠類似具有一定的粘性,因此不會在扣壓時發生Pump out問題。當電子器件工作時溫度不斷升高至材料熔點時,PCMs發生相變成為液態,具有和導熱油脂一樣的填充空隙的能力,熱阻因而大幅度降低。目前相變導熱材料主要用于CPU散熱材料。

有機相變導熱材料而言,相變導熱膠主要以熱塑性聚合物為基體,如聚烯烴、低分子量的聚乙烯和丙烯酸樹脂,添加低熔點的固體石蠟,并添加高導熱填料制備而成的。其中石蠟是主要的發生相變的材料,相變的溫度一般控制在45-60℃。現行的有機相變材料熱導率普遍在1-3W/mK。

4、導熱凝膠

導熱凝膠一般是由在硅油及石蠟中添加鋁粉、氧化鋁及銀粉等導熱填充料組成,通常需進行固化處理。由于經過了交鏈處理,所以具有較強的內凝聚力特性,使用時無需加熱或冷凝。它能提供比導熱膠及粘膠劑更有效的傳熱路徑,其熱傳導率約在1-3W/m.K左右。導熱凝膠的優點是能順應接觸表面的不規則性而填補孔隙。此外,由于其內凝聚力較強,在使用時不會有溢出及移動問題,使用和處理起來都很方便其缺點是需固化處理

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5、導熱黏膠

導熱膠是發展較早的產品,其主要組成是樹脂基體、導熱填料、稀釋性溶劑或者是反應型稀釋劑、固化劑和添加劑。用于電子膠黏劑的樹脂基體主要包括環氧樹脂、聚酰亞胺、有機硅膠、聚氨酯、丙烯酸酯和氰酸酯等。

6、導熱帶(Tapes)

導熱帶的開發主要是為了做熱沉Heat Sink貼合材料。主要目的是為了取消外力夾合裝置,降低設備成本。導熱帶主要是將添加導熱粉體的壓敏膠涂在支撐材料上(如玻璃布、聚亞酰胺薄膜或鋁箔)上所構成的。導熱膠帶屬于壓敏膠的一種,使用方便。導熱帶的使用非常方便,和一般膠布的貼合方式相同。一般來講,導熱帶主要應用其粘膠性能其次才是散熱性能,且只能應用于表面平整的界面上

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參考資料:

1、熱界面材料的特性及其應用電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗楊邦朝陳文媛曾理胡永達等著。

編輯:Alpha


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