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热界面材料 热传递基础知识
添加时间: 2016-2-1 点击次数: 532 次 [点此返回]

TIM导热界面材料热传递基础知识

TIM导热界面材料简介
电子产品热管理过程的目标是从半导体与周围环境的结合部分有效的散热。该过程可以分为三个主要阶段:
1. 半导体组件包装内的热传递
2. 从包装到散热器的热传递
3. 从散热器到周围环境的热传递

第一阶段的热量产生是热解决工程师所不能控制的。第二和第三阶段是热解决工程师需要解决的问题,为实现这一目标热设计工程师不仅需要对热传递过程有全面的了解,而且还要有具备可用界面热传递材料的知识,并深刻了解影响热传递过程的重要物理特性。

TIM导热界面材料基本理论
热通过材料的传导速率与热流的法线面积以及沿热流路径的温度梯度成正比。对于一维的,状态稳定的热流来说,速率可用傅立叶等式表示为:

[1] Q=kA.△T/d
k为导热系数,单位W/m-K
Q为热流速率,单位W
A为接触面积
d为热流距离
△T为温度差

导热系数k是均质材料的固有特性,它体现了材料的导热能力。它与材料的尺寸,形状和方向没有关系。

导热材料还有另外一个固有特性就是热阻R

[2] R=A.△T/Q
此特性用于度量特定厚度的材料抵抗热流的能力。将等式[2]代入等式[1]就可以得到k与R的关系。

[3] k=d/R

等式[3]显示,对于均质材料来说,热阻与厚度成正比;对于非均质材料来说,热阻通常随材料的厚度增加而增加,但不是线性关系。

在实际应用当中,热源的物体表面是非理想的平整表面,在与导热材料结合时会产生热阻,这个热阻是由于结合处的空气间隙产生的。

因此,材料的总阻抗等于材料的固有热阻加上材料与热源表面接触热阻之和,可表示为:

[4] R[总]=R[材料]+R[接触]

因此,表面的平滑度和粗糙度以及夹紧力,材料厚度和压缩模数对接触热阻都有重要的影响。
TIM导热界面材料(热界面材料[TIM])

正是因为热源表面不是理想的完整的平面,总是存在微观的表面粗糙度。当和导热材料接触时,会产生较大的接触热阻。为了减少这种对热流的阻力,将一些导热界面材料填充在它们之间克服这种对热流的阻力,现在,联腾达科技有限公司公司已经开发出多种类型的材料可满足用户使用要求,这些材料如下:

1 相变材料(导热相变界面材料)
这种材料是采用加有导热填料的硅或其他聚合树脂。它既有油脂的高热性能,又有垫片的易处理性和即撕即粘的特点。
当温度上升到熔点温度时(45℃~55℃),相变材料就会变软,类似于油脂,流动于整个接触表面,这种液体的流动将排除所有因接触表面粗糙而产生的空隙。以达到接触表面完全接触的理想状态,使接触热阻降到最低。这些材料已经广泛使用在微处理器,中央控制器,图形处理器,芯片组,功率放大器和开关电源,展示出非常出色的导热性能和高可靠性。

2 聚合焊料混合物
这种材料组合了熔点很低的合金填料,这些填料在65℃左右的温度下流动,提供极低的热阻抗。

3 导热粘合带(导热双面胶带)
导热粘合带是采用了导热填料的丙烯霜基或硅基的压敏粘合剂。这种材料使用非常方便,不需要机械夹紧力。它依靠表面PSA粘合散热装置和热源表面。导热性能主要看表面接触面积大小。

4 填缝材料
填缝材料是一种非常软的可导热的硅弹性体,主要用于半导体组件和散热表面之间的又大又多变的间隙导热情况,不需要任何压力填充器件或组件之间的间隙,另外,联腾达科技有限公司还提供兼具导热和射频吸收性能的混合填缝材料。

5 现场成型化合物(导热有机硅灌封胶)
现场成型化合物是活性的两组件式硅RTV,可以用于在组件和冷表面之间的距离可变时形成的热路径。它们分散到组件中,可以立即填充复杂的几何体,然后就地固化。

6 绝缘垫片(导热硅胶片)
绝缘垫片具有高导热系数,高电介质强度,高体积电阻率的特点。采用硅粘合剂提供高温稳定性和电绝缘特性,采用玻璃网加固物提供切穿阻力。这种材料安装时需要较大的夹紧力以减少接触热阻。

7 热油脂(导热硅脂)
热油脂是采用加有导热填料的硅或者茎基由。热油脂是一种导热粘性液体,通常使用钢印或者丝印技术印到散热器上。油脂具有良好的表面侵润特性,容易流入界面上的空隙中进行填充,甚至在较低的压力下也会产生很低的热阻抗。

8 热凝胶(导热硅胶)
热凝胶是硅基材质的配方,加有导热填料,而且通过交联形成模数低的材料。它们的适应性很高,提供象油脂一样的低热阻抗