新闻中心
联系我们

上海沐泽信息技术有限公司

业务部:上海市闵行区漕河泾双创园新骏环路189号C栋407-411室

工厂:  上海市闵行区万芳路1688号奇士科技园2号楼3楼

400服务电话: 400-705-2552

24小时联系手机: 13918237146

联系人:方先生

总机:   021-50203266/50203299

传真:   021-51905209

Mail: Frank@semiwell.cn

Web:    www.muzeinfo.cn


您现在的位置:网站首页 > 新闻中心
热传递基础知识跟各种导热材料应用
添加时间: 2016-2-1 点击次数: 740 次 [点此返回]
 

热传递基础知识跟各种导热材料应用

热传递基础知识  
  
 
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。


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kR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[]=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。

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,跨越电子有限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 变材料

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 导热石墨片

导热石墨片散热效率高、占用空间小、重量轻,沿两个方向均匀导热,消除热点区域,屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能导热系数高达水平导热150-1200W/M.K,垂直导热20-30W/M.K,比金属的导热还好,耐高温400℃,低热阻:热阻比铝低40%,比铜低20%。质轻,比重只有1.0-1.3柔软,容易操作,颜色黑色,厚度0.1-1.0MM,可按要求背胶,此产品导电需注意,主要用途:应用于笔记本电脑、大功率LED照明、平板显示器、数码摄像机、移动通信产品等.

3 导热粘合带

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。广泛用于LED日光灯、LED面板灯、LED背光源TV.

4 填缝材料导热硅胶片

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,导热硅胶片具有一定的柔韧性、优良的绝缘性、压缩性、表面天然的粘性,专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产,能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位间的热传递,同时还起到绝缘、减震、密封等作用,能够满足设备小型化及超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性,且厚度适用范围广,是一种极佳的导热填充材料而被广泛应用于电子电器产品中。

5 有机硅导热灌封胶

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,导出外壳箱体,可以立即填充复杂的几何体,然后就地固化。起到导热、绝缘、防水、密封、防震等作用。

6 绝缘垫片

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

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。


热界面材料的关键特性

   一.热特性

1 热阻抗

由等式[3]可以得到热阻等于R=d/k,此等式表明热阻与导热系数k成反比,与材料厚度成正比。也就是说材料的导热系数是一个常数,热阻只与材料的厚度有关,厚度越厚热阻就越大,反之越小。

接触热阻是可以人为控制的,依据接触表面选择合适的导热界面材料。这样才能控制总导热阻抗。

2 导热系数

导热系数是确定导热材料的导热能力的标志。导热系数越大导热性能越好。

二 电气特性

1 击穿电压

击穿电压的测量是在特定的条件下导热材料可以经受多大的电压值。此数值表明了导热材料的电绝缘能力。该数值在潮湿,高温环境下会受到影响,因为导热材料吸收了空气中的水分。

2 体积电阻率

体积电阻率用于度量单位体积材料的容积电子阻力。体积电阻率是指导热材料在通电组件和金属散热器件之间电流泄漏的能力。和击穿电压一样也会受潮湿和高温的影响还使体积电阻率下降。

三 弹性体特性

1 压缩变形

压缩变形是指偏转时施加的合力。当施加压缩负荷时,弹性体材料会发生形变,但材料的体积保持不变。压缩变形特性可能会根据部件的的几何体,偏转率和探针的大小等而发生变化。

2 应力弛豫

当在界面材料上施加压力时,最初的变形后,会缓慢的发生弛豫过程,随后除去压力,这一过程会持续到压力负荷与材料的内在强度达到平衡为止。

3 压缩形变

压缩形变是应力弛豫的结果,材料忍受压力负荷的时间过长,部分变形就会成为永久变形,在负荷减轻之后不可恢复。

 


热量管理词汇表  
  
 
 

氧化铝:一种相对便宜的粉末状或烧结板材形式的陶瓷。它的导热系数为30W/m-k,电介质特性极好。

表观导热系数:此数值不同于导热系数,因为表观导热系数还包括测量时的接触热阻。

电弧:带电体与金属散热片之间的放电。

氮化硼:一种非研磨陶瓷材料,其导热系数比氧化铝高。它是一种昂贵的材料。

卡路里:能量单位。1单位卡路里相当于将1克水升高1摄示度所需要的能量。

陶瓷:金属氧化物的统称。耐热,抗腐蚀且电介质强度高的粉末。

电晕:伴随绝缘体内部或表面接触层的气体电离所发生的绝缘体内部或表面的放电,也叫做局部放电。

爬电距离:绝缘体为防止电弧而必须远离半导体包装边缘的距离。

切穿:当金属半导体尖锐边沿穿通导热垫片并降低绝缘能力时发生的现象。

偏差:弹性界面材料为响应压力负荷而发生的厚度变化。

脱脂剂或溶脂剂:用来清理印刷电路板上的焊剂和其他有机残留物的溶剂。

电介质:充当绝缘体的材料

电介质强度:在指定的测试条件下导致绝缘材料发生电介质特性丧失的电压剃度。

电绝缘体:电阻和电介质强度都很高的金属,适用于为防止组件之间发生电接触而按不同电势将其分离的场合。

填料:一种细小的可分散的的陶瓷或金属颗粒。

流速:单位时间内通过任何导体的流体的体积,质量或重量,单位为加仑或升/小时。

焊剂:有机化合物。用来提高金属焊料侵润并黏结到印刷电路板的铜表面上的能力。

硬模:以机械加工金属块作为材料所制造的冲切工具。

硬度:用来度量某种材料经受尖硬物体的穿透能力。

硬度Shore A:用来测试材料硬度的仪器,刻度范围为0-100

热能:由原子过分子运动所产生的一种能量形式。热能以焦耳为单位。

热流:单位时间内流过的热量,单位为瓦特。

热通量:单位表面积上的热流,单位为瓦特/平方厘米。

热传递:通过传导,对流和辐射将热从一个物体转移到另一个物体的过程。

界面:任何两个互相接触的表面之间的边缘。在不同形式的物质之间可以存在5种类型的截面:气体-液体,液体-液体,气体-固体,液体-固体,固体-固体。

接头:是指半导体中由电流导致产热的部分。

MBLT:最小胶层厚度。

密耳:长度单位,1密耳等于千分之一英寸。

PCM:相变材料宿写。

导磁率:用来度量材料为响应外加磁场而排列其磁阻的能力。

电容率:用来度量电介质材料为响应外加电场而极化并通过材料传播电场的能力。

聚酰亚胺:有机聚合物,有极好的电绝缘特性和耐高温特性。

压敏粘合剂[PSA]:这种粘合剂在常温下为胶粘状态,只需要轻微的压力就能形成永久性的粘合。PSA不需要固化就能保持粘合。

PSH:聚合焊料混合物的等级。是共晶焊料和专业聚合物的增效混合物。

辐射:热通过电磁辐射发送出去的热传递过程。

加固物:一种编制的玻璃网或聚合物薄膜,用作热界面材料中的支撑。

永久形变:是指在将引起变形的负荷移走后橡胶部分不能恢复的偏移量。

弛豫:应力弛豫是指在始终保持稳定负荷的情况下弹性体的形变逐渐增加。同时应力级别随之相应降低的现象。

流变学:有关材料的变形和流动的学科。

半导体:一种在某一条件下为绝缘体还在另一种条件下为导体的电子材料。

: 非金属元素。在地壳中多以二氧化硅和硅酸盐的形态存在。硅是大多数半导体器件中半导体结的形成基础。

耐溶剂性:热管理产品在暴露到有机溶剂中时抵抗膨胀的能力。

比重:某种物质的密度同水的密度的比率。常温下水的比重为1

表面光洁度:用来度量表面粗糙程度,通常以微英寸为单位。

膨胀:当弹性体暴露在溶剂中且弹性体吸收溶剂所发生的现象。弹性体的体积增大,但其物理强度却大大降低。在这种状态下,弹性体容易受到破坏,因此,在弹性体在还未干时不应该使用任何机械应力。

撕列强度:用来度量材料经受撕列折劈应力的能力。通常以磅/英寸厚度为单位。

温度梯度:沿着热流动方向在系统中的两个点之间的温度差异。

抗拉强度:用来度量材料经受拉力的能力。通常以材料切面的Mpapsi为单位。

导热系数:定量材料导热的能力,以单位W/m-k为单位。

接触绕组;由相互接触的固体表面之间的不规则滞留的间隙气体所导致的热流阻力。

热解重量分析:将系统或化合物的重量变化作为不断增高的温度的函数而进行的化学分析。

TIM:热界面材料

热阻系数:定量材料对热传导的阻力,它是导热系数的倒数。

热耦器件:热耦器件将两种相异金属融合成一个珠子,可根据珠子的温度按比列产生电压。

触变:施加剪切时导致液体粘性降低的液体特征。这种情况下可以说液体发生了剪切变稀。填充了可分散的颗粒聚合物溶液会发生触变行为。

公差:成型部件的尺寸可允许的大小变化。

扭矩:转动或者扭动大小等于力的数值乘以施力的旋转距离。

粘弹性体材料:此物料对变形负荷的响应既包括粘性特性,也包括弹性特性,这种材料统称为塑料。

体积电阻率:用来度量材料的固有电阻,单位为欧姆/厘米

瓦特:电能的国际单位制单位,1瓦特等于1焦耳/秒。

导热材料的基本应用  
  
 
 
 
由于电子器件在通电的状态下,部分电能将转化为热能。这些热量将随时间的增加而不断的积累,促使温度不断的上升,当温度上升到器件的极限工作温度或接近时,器件可能会发生热击穿的现象。造成永久性毁灭。经实验证明,当器件表面温度上升2℃时,其性能将下降5%,寿命将缩短10%,因此,热设计将是一个重要的设计课题。

 热量总是从高温部分向低温部分通过介质来转移的。这些介质包括气流,流动的液体,柔性固体和固体物来实现的。不同的介质其传导热性能是不同的,工程师可根据产品的结构来选择合适的介质来进行热设计。
 
近年来,针对市场需求
跨越电子在导热材料设计领域已经在早些年推出不同类型的多款导热材料。其性能优良、可靠性极高。它们适合各种恶劣的环境和要求,对产品都体现出超预期的导热性能,为了适合不同领域设计要求,提供多种产品以满足市场需求。

1)相变导热材料

利用基材的特性,当工作温度达到溶化温度时将产生相变,基材将软化变成流动的液体状,从而使材料更加贴合接触表面,驱除因接触而产生的空隙。同时也获得了超低的热阻,更加彻底的进行热量传递,广泛应用于CPUMCUDSP,图形处理器,功率芯片及开关电源等。


 

2)导热垫

导热垫是采用高导热系数材料设计而成。体积电阻率和击穿电压极高,是一种柔性固体导热材料,安装时需要夹紧应力。广泛应用于带电的半导体表面有需要进行散热处理的场合。在高压大功率设备装置特别有高压绝缘要求。在高低压电力设备应用广泛。


 

3)导热粘合带

导热粘合带是依赖PSA来黏结热体表面和散热装置的,导热性能一般。它安装时不需要夹紧力,安装非常方便,主要应用在受空间限制要求的场合。如CPU以及其他有散热要求的IC/集成电路上。


 

4)导热填充剂(填缝材料,导热脂和导热胶)

导热填充材料主要应用在没有间隙公差要求的缝隙进行导热填充。也可以作为导热密封材料使用,因此,导热填充材料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。


 

使用注意事项:

以上几种导热绝缘材料都是采用硅为基材。使用时散热表面应平滑、干净,不应有毛刺,以免刺破界面材料,导致性能下降导热材料选择指南  
  
 
 
热设计
   
   
热设计是一门综合学科。热设计也象EMI问题产生一样,它也有三要素:热源热传递介质(导热界面材料)散热装置。作为一名资深的热设计工程师需要对整个热产生成因和热传递流程要有全面的了解。热设计时要把握好各个环节,譬如,热设计可以从热源来进行控制,那么如何去控制热源呢?大家都知道热量的产生是由于电流形成的,我就不多说了;热传递介质作为热源与散热器连接中间件将热量传递给散热器,热传递介质的传热能力用热阻来衡量,一般导热材料的热阻越低表明热传递能力越强,热阻与导热系数是反比关系,导热系数越大也表明导热材料的热传递能力越强。选择导热界面材料时这是一个重要的参数;散热装置是最终热量耗散装置。散热装置最终将热量散发到空气中。对于金属块散热装置的散热效率决定于金属材料的属性。常用铜或铝作为散热器材料。

以上是从原理上来进行热量控制和热传递设计的。在实际的产品热设计时,需要对产品的整个结构,发热源的界面形状,发热源的界面电气特性,发热源界面热特性来设计散热器的形状和尺寸并选择合适的热传递介质来传递热量。

导热界面材料有很多种类型,这是为热设计工程师提供许多的热设计方法。依据热设计需要来选择合理的导热界面材料。当确定好导热界面材料后,再来确定导热材料的具体参数来达到热传递要求。不同的导热界面材料有不同的独特特性和应用场合,作为一个好的热设计是都可以实现不同导热界面材料的互换。

 导热胶

导热胶是一种半流动活性液体。可以涂布式涂抹在热源表面,不需要加热凝固。常用于填充热源与散热器之间的不规则间隙和有密封与散热要求的场合。

如:半导体功率器件与散热器之间的导热介质

    ② 半导体功率器件与PCB之间的导热介质

    ③ 集成电路与散热片之间的导热介质(如:CPU,电源模块,Audio AMP

    ④ LED封装以及其他密封件

    ⑤ 电视机

导热胶在室温下可自动凝固,拆卸非常方便。但因其导热系数不高,并且在凝固的过程中可能会产生空气间隙。因此,不能用在高导热要求的特殊场合。

导热脂

导热脂也是一种流动性的活性液体。使用时长久不会干固,确保接触热阻稳定。常用于大功率半导体器件的导热介质和马达润滑散热。

如:大功率电源模块或功率开关管(三极管,IGBT

    ② 大功率音视频放大器(功放机,视频矩阵放大器,无线功率放大发射机)

    ③ 马达轴与端盖之间的润滑与散热

相变导热材料

相变导热材料是一种可靠性非常高的导热材料。当温度达到相变温度时,导热材料便会由固体变为半流动性液体,充满整个接触空气间隙,使相变导热材料与热表面紧密接触。导热效率非常的高。主要应用于:

①     大功率电源模块或功率开关管

②     LCDLED电视

③     电信电源设备
④    
中央处理器和控制芯片 

导热垫

导热垫有柔性导热垫和硬体导热垫。柔性导热垫具有弹性,施加不同的夹紧力可以获得理想的接触热阻,适合于接触表面不平整的场合。

广泛使用在:

①     电源设备

②     信息技术设备

③     医疗设备

④     精密仪器

⑤     家电电器

⑥     汽车设备

⑦     无线设备

⑧     电机驱动控制

⑨     军事设备

 

硬体导热垫较硬一点,弹性也比较好。它有非常好的机械性能和电气性能,主要应用在有电压绝缘要求的高压设备。

如:

电源设备

功率器件

汽车电子

①     LCDLED电视

②     军事设备

③     航空航天

导热胶带

导热胶带两面备有PSA,可直接应用于芯片表面与散热片。不需要任何夹紧力,使用非常方便。主要应用在低中功率的芯片热传导材料。

如:

①     控制器

②     中央处理器

③     功率放大器

④     其他芯片组