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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,Chomerics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

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,Chomerics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

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

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。

8 热凝胶

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


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。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           

 
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