熱管理優(yōu)化的關(guān)鍵應(yīng)用技巧：散熱片與填隙材料

良好的熱管理對(duì)于確保電子器件的性能和可靠性非常重要。這在概念上看似很簡單，首先轉(zhuǎn)移源頭的多余熱量，并分散到更大的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)有效散熱和冷卻，但在許多情況下，實(shí)現(xiàn)過程卻很有挑戰(zhàn)性。

發(fā)熱器件的表面通常不夠光滑，沒有可確保良好傳熱的低熱阻抗。有的器件表面并非平面，這就加大了熱管理的挑戰(zhàn)。此外，需要冷卻的元器件可能位于系統(tǒng)深處，要排出可能造成損壞的熱量更加復(fù)雜。

導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱脂能用于改善導(dǎo)熱率，但要達(dá)到必要的覆蓋范圍以確保良好的熱傳導(dǎo)，避免過度涂抹而導(dǎo)致電路板印制線污染或短路，這就比較棘手。并且，導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱脂不能從源頭上橫向散熱。

不過，設(shè)計(jì)人員有多種導(dǎo)熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）可以選擇，包括填隙材料和散熱片，以提供有效傳熱所需的持續(xù)低熱阻抗，同時(shí)消除任何污染問題。為了滿足特定的系統(tǒng)需求，TIM可以采用垂直傳熱或橫向散熱的結(jié)構(gòu)。TIM有多種厚度可供選擇，以滿足特定應(yīng)用的要求，在較高工作溫度下具有機(jī)械穩(wěn)定性和良好的可靠性。TIM還可以提供較高的電氣隔離，而且涂抹操作簡單。

本文將回顧熱管理技術(shù)理論內(nèi)容，并提供TIM選擇指南，然后介紹伍爾特電子（Würth Elektronik）的幾種TIM選項(xiàng)，并會(huì)探討每種選項(xiàng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)考慮。

什么是TIM？

TIM放置在熱源和冷卻組件之間，以改善熱耦合和熱流。兩個(gè)因素可提高熱耦合的效率。首先是TIM能夠適應(yīng)微觀表面不規(guī)則性，消除了所有降低界面導(dǎo)熱率的絕緣空氣（圖 1）。其次，TIM具有將熱量從源頭有效地傳遞到冷卻組件所需的導(dǎo)熱率。導(dǎo)熱率K的計(jì)量單位為W/mK。其采用ASTM D5470“Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials”（導(dǎo)熱電氣絕緣材料熱傳導(dǎo)性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法）進(jìn)行測量。

圖1：TIM（藍(lán)色）用于填補(bǔ)元器件和冷卻組件表面存在的微觀不規(guī)則，以改善熱耦合

除了導(dǎo)熱率之外，在選擇TIM時(shí)還要考慮幾個(gè)因素：

工作溫度范圍很重要，因?yàn)楦鞣NTIM的溫度范圍各不相同

配接表面之間的距離以及TIM是否需要壓縮以提供最佳熱傳導(dǎo)

TIM的壓縮壓力承受能力

一些TIM的表面涂有粘合劑，可以進(jìn)行機(jī)械固定

和某些材料一樣，TIM的電氣絕緣性能可用于提供電氣隔離

有些TIM是標(biāo)準(zhǔn)件，無最小訂貨量限制，也沒有模具費(fèi)用，而有些TIM則是定制形狀，可以根據(jù)具體應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化

填隙材料的選擇

WE-TGF硅膠填隙材料是一種通用材料，設(shè)計(jì)用于需要電氣隔離的低壓力應(yīng)用，其中TIM被壓縮至自身厚度的10% - 30%。超過建議的壓縮量可能導(dǎo)致硅油排出，縮短材料的預(yù)期壽命，并可能污染印刷電路板（pc板）。這些TIM設(shè)計(jì)用于兩個(gè)機(jī)械固定表面之間，因?yàn)槌俗匀徽承灾?，沒有任何額外的粘合劑。厚度為0.5至18 mm，導(dǎo)熱率為1至3 W/mK。厚度0.5至3 mm支持更高的導(dǎo)熱率（圖2）。

圖2：伍爾特電子導(dǎo)熱填隙材料可滿足各種應(yīng)用需求

例如，料號(hào)40001020是一個(gè)400 x 200 mm的墊片，厚度2 mm、K值1 W/mK、介電強(qiáng)度或電擊穿等級(jí)（EBR）8 kV/mm。WE-TGF填隙材料的柔軟和電氣絕緣特性使其適合用于一個(gè)或多個(gè)電子元器件和冷卻組件之間（圖3）。

圖3：硅膠彈性體間隙填充墊設(shè)計(jì)用于填充一個(gè)或多個(gè)電子元器件與冷卻組件（例如散熱器、冷卻板或金屬外殼）之間的間隙

對(duì)于需要電氣隔離和更薄外形的熱管理應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以使用K值1.6至3.5 W/mK、厚度0.23 mm的WE-TINS導(dǎo)熱硅膠絕緣體。料號(hào)404035025的K值為3.5 W/mK，EBR為6 kV/mm。與WE-TINS系列的所有零件一樣，404035025 組合使用導(dǎo)熱硅橡膠和玻璃纖維網(wǎng)。網(wǎng)眼增加了機(jī)械強(qiáng)度，并且耐穿刺、耐剪切。由于結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，這些TIM可以按需壓縮，并且具有較高的拉伸強(qiáng)度。

導(dǎo)熱相變材料和熱轉(zhuǎn)移膠帶更薄，其剖面厚度僅0.02 mm。例如，WE-PCM系列的相變TIM在特定溫度下從固體變?yōu)橐后w，提供完全浸濕的界面，而無任何溢出或流出。這些材料設(shè)計(jì)用于高性能集成電路或功率元器件和冷卻組件。例如，料號(hào)402150101020尺寸為100平方毫米，兩面有粘合劑，K值5 W/mK，EBR 3 kV/mm，相變溫度55攝氏度（°C）。

WE-TT熱轉(zhuǎn)移膠帶是一種雙面膠，可以機(jī)械固定兩個(gè)接觸面。其K值為1 W/mK，EBR 4 kV/mm，專為低壓力應(yīng)用設(shè)計(jì)。膠帶長25 m，寬度類型分為8 mm（料號(hào)403012008）和50 mm（料號(hào)403012050）。

石墨散熱解決方案

合成石墨基的TIM具有最高水平的導(dǎo)熱率（圖4）。WE-TGS系列中的料號(hào)4051210297017是合成石墨散熱片，尺寸297 x 210 mm，K值1800 W/mK，不提供電氣隔離。這些石墨片結(jié)合了高導(dǎo)熱率、重量輕和厚度（0.03 mm）的特性，適用于從高功率半導(dǎo)體模塊到手持設(shè)備的各種應(yīng)用。

圖4：石墨散熱片具有很高的導(dǎo)熱性，具有多種尺寸，厚度僅為0.03 mm

WE-TGFG系列結(jié)合了石墨片和泡沫墊，形成獨(dú)特的熱管理解決方案，K值400 W/mK，EBR 1 kV/mm。產(chǎn)品可以制作成長襯墊作為散熱片，將熱量從源頭橫向轉(zhuǎn)移到位于系統(tǒng)另一部分的冷卻組件。例如，料號(hào)407150045015 長45 mm，寬15 mm，厚1.5 mm，可用于需要間隙填充和橫向傳熱的應(yīng)用。

若要用諸如WE-TGF填隙材料這樣的硅膠墊來實(shí)現(xiàn)更高的導(dǎo)熱率，則需要將硅墊做得更薄。設(shè)計(jì)人員可以采用WE-TGFG TIM來填充不超過25 mm的間隙，其導(dǎo)熱率比硅膠墊高得多，而且WE-TGFG零件可以按定制幾何形狀制造，以適應(yīng)非平面空間。

組合TIM以獲得更高性能

TIM可以組合在一起，以提供更高的性能。例如，WE-TGS石墨散熱片可以與WE-TGF硅膠填隙材料組合使用，以便使用基底面超過熱源的散熱片，提高整個(gè)組件的冷卻能力（圖）。

圖：將WE-TGS石墨散熱片（TIM 1）與 WE-TGF 硅膠填隙材料（TIM 2）結(jié)合，可以使用比熱元器件的基底面更大的散熱器，提升冷卻性能

應(yīng)用筆記

無論使用哪種TIM或TIM組合，設(shè)計(jì)人員都需要考慮基礎(chǔ)的應(yīng)用原則：

元器件和冷卻組件的表面需要清潔和干燥。應(yīng)使用無絨棉簽或抹布和異丙醇來清除表面的任何污染

使用需要壓縮的TIM時(shí)，應(yīng)在整個(gè)表面均勻壓縮材料。如果施加的壓力超過規(guī)定等級(jí)，材料會(huì)損壞

必須消除表面的所有氣泡和/或間隙，以實(shí)現(xiàn)最佳導(dǎo)熱率

TIM工作溫度必須能夠適應(yīng)環(huán)境溫度和被冷卻元件的溫升

總結(jié)

熱管理是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的普遍問題。如上所述，設(shè)計(jì)人員可以采用各種材料的TIM，包括硅膠、相變材料、石墨和泡沫墊。使用TIM可以提供有效傳熱所需的持續(xù)低熱阻抗，同時(shí)消除了使用導(dǎo)熱膏或?qū)嶂赡艹霈F(xiàn)的任何污染問題。

雖然導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱脂只能垂直傳熱，但設(shè)計(jì)人員可以選擇垂直傳熱的填隙材料TIM或橫向傳熱的散熱片。最后，眾多TIM無最小訂貨量限制或模具費(fèi)用，因此是熱管理設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)選擇。

審核編輯：黃飛