|
良好的熱管理對于確保電子器件的性能和可靠性非常重要。這在概念上很簡單，首先轉移源頭的多余熱量，并分散到更大的區域，以實現有效散熱和冷卻。但在許多情況下，實現過程卻很有挑戰性。 發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。此外，需要冷卻的元器件可能位于系統深處，要排出可能造成損壞的熱量更加復雜。 導熱膏和導熱脂能用于改善導熱率，但要達到必要的覆蓋范圍以確保良好的熱傳導，避免過度涂抹而導致電路板印制線污染或短路，這就比較棘手。并且，導熱膏和導熱脂不能從源頭上橫向散熱。 不過，設計人員有多種導熱界面材料 (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低熱阻抗，同時消除任何污染問題。為了滿足特定的系統需求，TIM 可以采用垂直傳熱或橫向散熱的結構。TIM 有多種厚度可供選擇，以滿足特定應用的要求，在較高工作溫度下具有機械穩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。 本文將回顧熱管理內容，并提供一般 TIM 選擇指南。然后介紹 Würth Elektronik 的幾種 TIM 選項，并會探討每種選項的應用和設計考慮。 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。兩個因素可提高熱耦合的效率。首先是 TIM 能夠適應微觀表面不規則性，消除了所有降低界面導熱率的絕緣空氣（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熱率。導熱率 K 的計量單位為 W/mK。其采用 ASTM D5470“Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials”（導熱電氣絕緣材料熱傳導性能標準試驗方法）進行測量。 
圖 1：TIM（藍色）用于填補元器件和冷卻組件表面存在的微觀不規則，以改善熱耦合。（圖片來源：Würth Elektronik） 除了導熱率之外，在選擇 TIM 時還要考慮幾個因素： · 工作溫度范圍很重要，因為各種 TIM 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。 · TIM 的壓縮壓力承受能力。 · 一些 TIM 的表面涂有粘合劑，可以進行機械固定。 · 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 是標準件，無最小訂貨量限制，也沒有模具費用，而有些 TIM 則是定制形狀，可以根據具體應用要求進行優化。 填隙材料的選擇 WE-TGF 硅膠填隙材料是一種通用材料，設計用于需要電氣隔離的低壓力應用，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致硅油排出，縮短材料的預期壽命，并可能污染印刷電路板（pc 板）。這些 TIM 設計用于兩個機械固定表面之間，因為除了自然粘性之外，沒有任何額外的粘合劑。厚度為 0.5 至 18 mm，導熱率為 1 至 3 W/mK。厚度 0.5 至 3 mm 支持更高的導熱率（圖 2）。
圖 2：Würth 的導熱填隙材料可滿足各種應用需求。（圖片來源：Würth Elektronik） 例如，零件編號 40001020 是一個 400 x 200 mm 的墊片，厚度 2 mm、K 值 1 W/mK、介電強度或電擊穿等級 (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或多個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計用于填充一個或多個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。（圖片來源：Würth Elektronik） 對于需要電氣隔離和更薄外形的熱管理應用，設計人員可以使用 K 值 1.6 至 3.5 W/mK、厚度 0.23 mm 的 WE-TINS 導熱硅膠絕緣體。零件編號 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 組合使用導熱硅橡膠和玻璃纖維網。網眼增加了機械強度，并且耐穿刺、耐剪切。由于結構的機械性能，這些 TIM 可以按需壓縮，并且具有較高的拉伸強度。 導熱相變材料和熱轉移膠帶更薄，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為液體，提供完全浸濕的界面，而無任何溢出或流出。這些材料設計用于高性能集成電路或功率元器件和冷卻組件。例如，零件編號 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 熱轉移膠帶是一種雙面膠，可以機械固定兩個接觸面。其 K 值為 1 W/mK，EBR 4 kV/mm，專為低壓力應用設計。膠帶長 25 m，寬度類型分為 8 mm（零件編號 403012008）和 50 mm（零件編號 403012050）。 石墨散熱解決方案 合成石墨基的 TIM 具有最高水平的導熱率（圖 4）。WE-TGS 系列中的零件編號 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。這些石墨片結合了高導熱率、重量輕和厚度 (0.03 mm) 的特性，適用于從高功率半導體模塊到手持設備的各種應用。
圖 4：石墨散熱片具有很高的導熱性，具有多種尺寸，厚度僅為 0.03 mm。（圖片來源：Würth Elektronik） WE-TGFG 系列結合了石墨片和泡沫墊，形成獨特的熱管理解決方案，K 值 400 W/mK，EBR 1 kV/mm。產品可以制作成長襯墊作為散熱片，將熱量從源頭橫向轉移到位于系統另一部分的冷卻組件（圖 5）。例如，零件編號 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用。
圖 5：放在發熱元器件頂部的 TIM 可以作為散熱片，將元器件的熱量橫向轉移。（圖片來源：Würth Elektronik） 若要用諸如 WE-TGF 填隙材料這樣的硅膠墊來實現更高的導熱率，則需要將硅墊做得更薄。設計人員可以采用 WE-TGFG TIM 來填充不超過 25 mm 的間隙，其導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，以適應非平面空間（圖 6）。
圖 6：石墨泡沫襯墊（中間）可以按照各種幾何形狀進行制造，并用于連接熱源（底部）和非平面散熱元件（頂部）。（圖片來源：Würth Elektronik） 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，提高整個組件的冷卻能力（圖 7）。
圖 7：將 WE-TGS 石墨散熱片 (TIM 1) 與 WE-TGF 硅膠填隙材料 (TIM 2) 結合，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。（圖片來源：Würth Elektronik） 一般應用指南 無論使用哪種 TIM 或 TIM 組合，設計人員都需要考慮一些一般應用指南： · 元器件和冷卻組件的表面需要清潔和干燥。應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，應在整個表面均勻壓縮材料。如果施加的壓力超過規定等級，材料會損壞。 · 必須消除表面的所有氣泡和/或間隙，以實現最佳導熱率。 · TIM 工作溫度必須能夠適應環境溫度和被冷卻元件的溫升。 總結 熱管理是電子系統設計中存在的普遍問題。如上所述，設計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低熱阻抗，同時消除了使用導熱膏或導熱脂可能出現的任何污染問題。 雖然導熱膏和導熱脂只能垂直傳熱，但設計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，許多 TIM 無最小訂貨量限制或模具費用，因此是熱管理設計的經濟選擇。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
