电子产品结构材料特性和选择方法 第 9 讲 导热材料 (XXXX0907)

电子产品结构材料特性和选择方法第九讲导热材料（1课时）第九讲导热材料9.1导热材料的主要参数9.2导热材料的种类9.2.1相变导热绝缘膜垫9.2.2导热导电膜垫9.2.3导热绝缘胶带9.2.4导热绝缘发泡垫9.2.5导热绝缘胶9.2.6导热硅脂9.3导热材料的比较和选择第九讲导热材料*导热材料（Thermalconductivematerial）也称为热管理材料（Thermalmanagementmaterials）；或者热界面材料（ThermalInterfaceMaterial），它们被用于两种材料接触表面做有效的热量传递。*例如，散热器和芯片的表面看起来是很平整的，实际上用显微镜看是凸凹不平的，并且有微孔。如果两者不做任何处理直接接触，则实际相连的接触面积很小，这就不利于热的传导。*利用导热材料的微、纳米级微小颗粒和它们的流动性及柔软性，可以填充芯片和散热器之间的微小空隙，增大接触面积几十倍，保证不同材料之间的热传导。第九讲导热材料9.1导热材料的主要参数1．导热系数*导热系数（Thermalconductivity）是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度时，在1小时内通过1m2面积所传递的热量，单位为瓦/米×度（W/m℃）。这个单位中的“℃”，国外的导热材料常用绝对温度单位“K”来表示。*导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构材料、密度较低的材料、材料的含水率较低和温度较低时，导热系数较小。*一般而言，金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体的导热系数最小。导热系数≤0.055W/m℃的材料称为高效绝热材料，≥500W/m℃的料称为高效导热材料。*导热系数越大，导热效果就越好。常见原材料的导热系数如表9-1所示。导热材料的导热系数多在0.5~5W/m·℃。第九讲导热材料表9-1常见材料的导热系数第九讲导热材料2．热阻抗*热阻抗（Thermalimpedance）表示物体的对热量传导的阻碍效果，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端面上的温差。简称热阻，单位为℃/W，或℃·cm2/W。*热阻是越低越好，因为相同的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体的温度就越低。热阻的大小与所采用的导热材料有很大的关系。导热硅脂的热阻均小于0.1℃/W，优秀的可达到0.005℃/W。*导热系数是材料的固有特性。而热阻的大小与材料组成、形状和尺寸相关。通常一个材料的导热系数越大，越能做出热阻小的散热材料和散热器件。第九讲导热材料3．接触压力*接触压力（Interfacestress）是指施加在导热材料接触面上的应力，这是一个应用时的设计指标。*在接触面上施加合适的力可以增大实际的接触面积，从而减小热阻。一般导热材料受到的压力在69～690KPa(10～100psi)之间较为合适。保持合适接触压力，可以保证热能的传导，它是重要的导热材料指标。2019/8/6第九讲导热材料4．颜色导热材料的颜色被用来区分导热材料依据其导热性能。通常国外的导热材料产品，导热性能从弱至强分为白、灰、蓝、粉红、黄和橙等颜色。5.成分导热导电材料通常由硅树脂和高分子薄膜材料，添加铝粉末和其它金属微粒材料组成。导热绝缘材料通常由由硅胶或高分子薄膜材料添加氮化硼和石墨等组成。也有直接用铝和铜箔做成的高导热材料。导热薄膜材料有带和不带背胶两种。第九讲导热材料6．厚度通常，被导热的两个界面是金属材料，如散热片和芯片的表面。导热材料含有非金属成分，它们的导热性能不如金属，所以导热薄膜材料越薄越好。7．工作温度这是考核导热材料的环境温度适应性，差的材料，比如导热硅胶在低温时会脆化开裂，高温时流动，均会影响使用功能。实际使用发现，这个实物往往不能达到规定的指标，是要特别关注的指标。第九讲导热材料8．固化时间固化时间（Curecycle）是指导热胶涂敷后的凝固时间。这个时间依环境温度而不同，温度越高，凝固的时间越快。这个参数对生产时的效率有影响，从便于生产的角度，固化时间越短越好。目前多数导热胶的常温初始凝固时间在几分钟至一小时；达到粘接强度的常温固化时间需24～48小时。有些双组分导热胶，在使用时需混合，混合后会随着时间的推移，粘度会逐渐上升直至固化到不可涂敷，这个时间称为可使用寿命（Potlife），一般为1～10小时。第九讲导热材料9．除气性能除气（Outgassing）率是衡量导热材料在固化的过程中可挥发物的损失，通常用总质量损失（Totalmassloss：TML）率和收集可凝挥发物（Collectedvolatilecondensablematerials：CVCM）率来表示。美国ASTME595标准规定了这两种数据的测试方法。除气率越小越好，高的除气率会引起结合面的空隙，不利于导热。第九讲导热材料10．贮存寿命存贮寿命（Shelflife），相变导热绝缘衬垫和导热胶、导热硅脂等材料有存贮寿命的限值，通常在6～24个月。相对单组分的材料而言，双组分胶存贮寿命较长。超过存贮寿命材料的粘接性能不能保证，也就不应再使用。第九讲导热材料ttu9.2导热材料的种类9.2.1相变导热绝缘膜垫*相变导热绝缘膜垫（Phasechangematerial）是一种由高导热填料与相变化合物混合而成的新型薄膜材料。有多种材料可以作为相变材料，如高联高密度聚乙烯、层状钙钛矿和多元醇，其低温相变是核心技术。*物质从一种状态变到另一种状态叫相变。相变导热绝缘膜垫在50～70℃以上时，材料软化成微熔融状，从而可以有效填充结合面的不平和微孔，达到高效导热的目的。这种相变是随着温度变化可逆的。第九讲导热材料图9-1相变导热绝缘衬垫相变导热绝缘衬垫其产品形状为薄膜，如图9-1所示。厚度有0.13/0.2/0.25/0.5mm几种规格。第九讲导热材料9.2.2导热导电膜垫*材料组成导热导电膜垫（Electricalandthermallyconductiveinterfacepad）由合成纤维、硅橡胶加导电微粒制成。其热传导能力和材料本身具备的柔韧性，可以满足功率元器件的热传导和安装要求。除了具有导电性能外，这种材料与相变导热绝缘衬垫性能接近。*材料形状导热导电衬垫的厚度有0.13/0.2/0.25/0.5mm几种规格，长度和宽度尺寸可定制。这种材料背面带胶，但粘接力只能保证此衬垫与散热器的贴合，并不能起到将散热器紧固在芯片表面，紧固散热器还需螺钉等紧固方式。第九讲导热材料9.2.3导热绝缘胶带*材料组成导热绝缘胶带（Thermallyconductiveinsulator）是增强氮化硼和硅橡胶制成的薄膜。*材料形状导热绝缘胶带的厚度有0.25/0.51/0.76mm几种；长宽尺寸均为200mm左右，也可定制长宽尺寸。这种胶带只起导热、绝缘和贴合的作用，装散热片时还需再用加螺钉或其他方式紧固。用于需要和散热器绝缘的功率元器件。这种薄膜具有很好的机械性能，大部分材料可以在螺钉的压紧下不破损。第九讲导热材料9.2.4导热绝缘发泡垫*材料组成导热绝缘发泡垫（Thermallyconductivefoaminsulator），也称为导热绝缘填充垫（Thermallyconductivegapfillers）。目前使用的基材主要是硅橡胶，填充物为氧化铝颗粒或者氧化铝、氧化镁或氮化硼的混合颗粒，背面可带导热压敏胶，具有良好的导热性能，同时能够起到绝缘的作用。*材料形状导热绝缘发泡垫是一种有弹性的，有一定厚度的导热衬垫。厚度在1～5mm之间，长宽尺寸在100～300mm之间，长和宽的尺寸也可定制。第九讲导热材料9.2.5导热绝缘胶*导热绝缘胶（Thermallyconductiveandinsulativeadhesive；Thermalinterfacecompoundsandencapsulant）有硅导热绝缘胶和环氧导热绝缘胶两种。这些胶多为A+B双组份组成，使用时按比例混合使用----这是为了保证使用时的性能，过早的混合会影响使用性能。也有已混合好的单管胶。*导热绝缘胶为罐装的稠液体，凝固后有极好的韧性，工作温度很宽，同时在潮湿环境下也有极好的绝缘性。但混合后要在规定的时间内用完，否则影响粘接效果。使用时可以用手动或气动敷料枪。*导热绝缘胶用于芯片和小型散热片之间，如热功耗在几瓦的芯片用散热片。可以完成导热、绝缘和机械连接的作用，散热片不必再用螺钉等连接方式。第九讲导热材料9.2.6导热硅脂*导热硅脂（Thermalgrease）是一种加入大量导热金属氧化物填料的有机硅膏状材料。其基材为聚硅氧烷树脂（也称硅酮Silicone），填充物为氧化锌/氧化铝/氮化硼/碳化硅/等成份。这种复合物具有高热导率、低渗油量和良好的高温稳定性，复合物能维持稠度直至约200℃。*通常导热硅脂是不导电的，也有导电的导热硅脂，它们是加了银、铝、石墨等微粒的复合物。用于一些芯片外壳需接地的场合，用导电还是不导电的导热硅脂要根据芯片是否需接地来确定。*导热硅脂多为罐装和管装，导热性能依据厂家和品种多有不同。第九讲导热材料9.3导热材料的比较和选择表9-2各种导热材料的比较第九讲导热材料1．导热参数导热材料选择最重要的参数是导热系数和热阻，这要根据芯片的散热要求确定。其次也要考虑结构安装的便利性等其它要素。2．根据电气特性选择在电路中，由于散热器和功率器件外壳有的需要接地有的不需要接地，所以就有了导电和绝缘两类材料，在选材料时要与电路工程师沟通清楚，避免选错。第九讲导热材料3．根据生产的便利性选择*从可生产性考虑，在薄膜、厚衬垫、粘接胶和膏状物中正确选用。以方便应对不同的产品需求。*在导热材料中，导热硅脂由于其相对价格较低，使用方便，性能好是应用较多的材料。*特别要提醒的是：与此产品形态类似的，还有硅润滑脂，这是绝热的硅橡胶，不是导热材料。而这两种材料往往会在一个工厂均有用到，曾经有用错的案例，要细心避免。4．根据结构尺寸要求选择*在需要垫高，以保证某种尺寸要求时，可以用厚的导热绝缘发泡垫。如既有散热要求，又有垫高需要时，或者对会受冲击振动的移动设备（厚的导热绝缘发泡垫有阻尼减振作用）。否则尽可能采用薄的材料。第九讲导热材料•相变导热绝缘膜垫是导热材料发展方向，随这价格降低和技术的推广，会有更广泛的应用。•通常金属、非金属，液态、空气导热性能呈极差递减。•导热绝缘膜垫越薄越好。•导热胶是有使用寿命的。