導(dǎo)熱襯墊在印制板組件上的應(yīng)用研究*

答邦寧

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

導(dǎo)熱襯墊在印制板組件上的應(yīng)用研究*

答邦寧

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

隨著電子產(chǎn)品集成化程度的提高，功率器件及大規(guī)模集成電路的散熱問題越來越突出。在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，常常利用導(dǎo)熱硅脂來幫助實(shí)現(xiàn)發(fā)熱器件和散熱板間有效的熱傳導(dǎo)，從而起到熱量散放的作用。文中對所選型的數(shù)種導(dǎo)熱襯墊與導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行了性能對比測定，通過熱阻性能試驗(yàn)、耐溶劑試驗(yàn)、三防漆涂覆試驗(yàn)、耐低溫性能試驗(yàn)等試驗(yàn)方法對其性能進(jìn)行了判定，并分析了在印制板組件上用導(dǎo)熱襯墊代替常用的導(dǎo)熱硅脂材料的可行性。

導(dǎo)熱襯墊；導(dǎo)熱系數(shù)；接觸熱阻；總熱阻

引 言

隨著電子產(chǎn)品集成度的提高，功率器件及大規(guī)模集成電路的散熱問題成為電子產(chǎn)品中不得不面對和解決的問題。通常的做法是采用輕質(zhì)鋁質(zhì)散熱板、液體冷板等將發(fā)熱器件散發(fā)出的熱量導(dǎo)出和散放，并在器件接觸面上添加有利于減少接觸熱阻的導(dǎo)熱材料，將它作為中間熱傳輸介質(zhì)，以彌補(bǔ)器件與散熱板接觸表面的微觀不平整，滿足發(fā)熱器件的散熱要求。

在印制板組件設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的做法是將導(dǎo)熱硅脂作為大規(guī)模集成電路與散熱板之間的傳熱介質(zhì)。但導(dǎo)熱硅脂被長期使用后，其液體成分易流淌、揮發(fā)、干涸，從而導(dǎo)致器件與散熱板之間的接觸熱阻變大，導(dǎo)熱效果下降，且在后續(xù)印制板組件三防涂覆時(shí)會(huì)出現(xiàn)“花臉”現(xiàn)象，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。本文主要針對印制板組件上導(dǎo)熱硅脂的替代材料進(jìn)行性能對比和應(yīng)用研究，以提高印制板組件的長期使用性，改善產(chǎn)品三防涂覆外觀質(zhì)量。

1 導(dǎo)熱襯墊的選擇

接觸表面的熱量傳輸主要以熱傳導(dǎo)形式進(jìn)行，在理想情況下發(fā)熱器件與散熱板的接觸表面溫度是一致的，即器件散發(fā)的熱量迅速被散熱板帶走。但在實(shí)際情況下，由于接觸表面微觀上的不平整，其中必然存在空氣、液體等介質(zhì)，因而接觸表面總存在一定的接觸熱阻。因集成電路與散熱板之間主要介質(zhì)—空氣的存在，印制板組件的熱阻很大。為了減少或消除空氣熱阻，加入導(dǎo)熱材料，但導(dǎo)熱材料本身也具有熱阻，且空氣介質(zhì)不能完全被消除，因而在發(fā)熱器件與散熱板之間形成了一個(gè)總熱阻，包括接觸熱阻和材料熱阻。由于熱阻的存在，在實(shí)際情況下發(fā)熱器件與散熱板的接觸表面溫度不一致，即存在溫度梯度[1]。

為了使傳熱效果盡可能地好，必須盡量減小總熱阻，即減小材料熱阻和接觸熱阻。減小材料熱阻可以通過選用導(dǎo)熱系數(shù)高、材料熱阻小的導(dǎo)熱材料來實(shí)現(xiàn)；減小接觸熱阻可通過選用填充性好的導(dǎo)熱材料，以盡量減少界面中空氣的存在來實(shí)現(xiàn)，兩者必須綜合起來考慮。從材料熱阻數(shù)據(jù)來看，很多固體導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)大大高于導(dǎo)熱硅脂，但其綜合導(dǎo)熱效果不及后者，其原因在于固體導(dǎo)熱材料因填充性不好而存在接觸熱阻大的固有缺陷。近年來出現(xiàn)的雙面壓敏型導(dǎo)熱材料是對固體導(dǎo)熱材料接觸熱阻大這一缺陷的一個(gè)很好改進(jìn)，該材料能夠完全填充器件和散熱板界面間隙，實(shí)現(xiàn)接觸電阻小的最佳熱傳導(dǎo)性能[2]。

通過調(diào)研和選型，選出數(shù)個(gè)國產(chǎn)和進(jìn)口導(dǎo)熱襯墊材料用于試驗(yàn)研究，所用導(dǎo)熱襯墊品種見表1。

表1 試驗(yàn)采用的導(dǎo)熱襯墊品種表

2 研究思路

導(dǎo)熱襯墊試驗(yàn)包括熱阻性能試驗(yàn)、耐溶劑試驗(yàn)、三防漆涂覆試驗(yàn)、耐低溫性能試驗(yàn)及相關(guān)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，通過這些試驗(yàn)研究篩選驗(yàn)證滿足綜合使用要求的導(dǎo)熱襯墊。

熱阻性能試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證各導(dǎo)熱襯墊材料的導(dǎo)熱性能，計(jì)算各材料的總熱阻，并與導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行對比，從導(dǎo)熱的角度試驗(yàn)導(dǎo)熱墊片是否能夠替代硅脂。

耐溶劑試驗(yàn)和三防漆涂覆試驗(yàn)的目的是針對經(jīng)過熱阻性能試驗(yàn)篩選出的導(dǎo)熱墊片，測試其耐印制板組件三防前清洗和各種三防涂覆清漆中的樹脂及溶劑的性能。

耐低溫性能試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證備選材料中貝格斯導(dǎo)熱墊片的耐低溫性能是否滿足機(jī)載產(chǎn)品的要求，因?yàn)樨惛袼箤?dǎo)熱墊片的性能數(shù)據(jù)中均未提供適用溫度范圍數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)的目的是測試驗(yàn)證在實(shí)際的印制板組件中，以固體導(dǎo)熱墊片代替導(dǎo)熱硅脂對元器件散熱效果的影響。

3 研究及結(jié)果分析

3.1 熱阻性能

設(shè)計(jì)專用的測試裝置，將需測試的導(dǎo)熱材料置于上、下測試塊中間，上測試塊上安裝發(fā)熱塊，下測試塊下安裝冷板。發(fā)熱塊產(chǎn)生的熱量通過上測試塊、導(dǎo)熱材料、下測試塊，傳給冷板，再由冷板內(nèi)的冷卻液帶走。通過測量上下2塊測試塊的溫度，計(jì)算出兩測試塊之間的總熱阻[3](包括2個(gè)接觸熱阻和1個(gè)材料熱阻)，在2.16×104Pa壓力下的單層熱阻見表2。

表2 各種導(dǎo)熱襯墊熱阻測試結(jié)果

從熱阻數(shù)據(jù)分析，在同樣的測試條件下，Bond-Ply100-8mil、TDA-12雙面壓敏導(dǎo)熱襯墊的總熱阻與導(dǎo)熱硅脂的總熱阻相對接近，可以作為替代品種進(jìn)一步通過印制板組件實(shí)際工作狀態(tài)的測試，驗(yàn)證在總熱阻較大的情況下是否會(huì)影響到印制板組件的正常工作。

3.2 耐溶劑性能

取經(jīng)過熱阻性能試驗(yàn)后篩選出的Bond-Ply100-8mil、TDA-12雙面壓敏導(dǎo)熱襯墊材料少許，將它們分別浸入無水乙醇、丙酮、二甲苯、環(huán)己酮和乙酸丁酯中24 h，定期觀察導(dǎo)熱襯墊是否溶解或溶脹，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 導(dǎo)熱襯墊耐溶劑試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，Bond-Ply100-8mil和TDA-12導(dǎo)熱襯墊材料同樣不溶于無水乙醇溶劑，也不溶于大部分用于三防清漆稀釋的溶劑。但遇二甲苯、環(huán)己酮、乙酸丁酯溶劑時(shí)，TDA-12型導(dǎo)熱襯墊表面會(huì)有少許單面溶解現(xiàn)象，但這并不影響它的導(dǎo)熱性能等。

3.3 三防涂覆性能

將Bond-Ply100-8mil、TDA-12雙面壓敏導(dǎo)熱襯墊材料分別轉(zhuǎn)移至去油干凈的鋁板表面，于70 ℃烘箱中模擬相變過程，取出冷卻后分別進(jìn)行H31-3環(huán)氧酯清漆、S01-3聚氨酯清漆、CRC70丙烯酸酯清漆、1-2577有機(jī)硅清漆的浸涂試驗(yàn)和S01-3聚氨酯清漆的噴涂試驗(yàn)，經(jīng)過24 h固化期后觀察導(dǎo)熱襯墊是否溶解或溶脹，其試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 導(dǎo)熱襯墊三防涂覆試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，2種材料與H31-3環(huán)氧酯清漆、S01-3聚氨酯清漆、CRC70丙烯酸酯清漆、1-2577有機(jī)硅清漆的浸潤性良好，清漆中含有的溶劑在整個(gè)固化周期內(nèi)不會(huì)對其產(chǎn)生不良影響。

3.4 耐低溫性

將Bond-Ply100-8mil、TDA-12雙面壓敏導(dǎo)熱襯墊材料分別轉(zhuǎn)移至去油干凈的鋁板表面。2種材料在-55 ℃下24 h低溫存儲(chǔ)后均沒有發(fā)生碎裂現(xiàn)象，恢復(fù)到常態(tài)后外觀無變化。

3.5 應(yīng)用性驗(yàn)證

以4個(gè)批次某產(chǎn)品機(jī)箱內(nèi)的同一塊印制板組件作為試驗(yàn)對象，在每一臺(tái)機(jī)箱中，該印制板共有3塊，每次均選取其中的1塊，在裝配時(shí)將原使用的導(dǎo)熱硅脂分別用Bond-Ply100-8mil、TDA-12替換。在印制板組件上選取幾組集成電路，在每個(gè)集成電路的本體頂部貼熱電偶，以測試印制板組件在環(huán)境高溫與工作溫度下的管殼溫度。具體型號(hào)的導(dǎo)熱襯墊與導(dǎo)熱硅脂對比測試的器件表殼平均溫度曲線如圖1所示。

圖1 表殼平均溫度對比曲線

對比測試顯示，所有各組集成電路的管殼溫度在測試全過程的各點(diǎn)雖然表現(xiàn)為各有高低，但相差幅度很小，表明這2種導(dǎo)熱襯墊材料與導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱效果基本相當(dāng)。

4 結(jié)束語

本文通過對多種導(dǎo)熱材料的性能對比、研究和工程應(yīng)用，確定了印制板組件上發(fā)熱器件散熱所用的導(dǎo)熱硅脂的替代材料。研究數(shù)據(jù)顯示，Bond-Ply100-8mil、TDA-12雙面壓敏導(dǎo)熱襯墊材料在熱阻試驗(yàn)、耐溶劑性能試驗(yàn)中各有優(yōu)缺點(diǎn)，在三防涂覆試驗(yàn)、耐低溫試驗(yàn)中表現(xiàn)相當(dāng)，特別是在產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中，與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱硅脂性能相當(dāng)。結(jié)果表明，兩種型號(hào)導(dǎo)熱襯墊完全可替代導(dǎo)熱硅脂，并能很好地解決印制板組件器件接觸表面微觀不平和三防外觀差的問題，目前已在雷達(dá)產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

[1] 王世碎, 奕永衛(wèi), 趙悖金. 高組裝密度器件的散熱分析[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，1996，17(5): 386-391.

[2] 楊世銘，陶文栓. 傳熱學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社，2006.

[3] 陳陶菲, 徐德好, 劉向東. 板式脈動(dòng)熱管強(qiáng)化傳熱方法研究[J].電子機(jī)械工程，2011，27(4)：5-8.

答邦寧(1964-)，男，工程師，主要從事電子裝聯(lián)工藝工作。

Application of Thermal Conductive Pad to PCB Assemblies

With increasing integration of electronic products, the heat dissipation problem of the power device and the large-scale integrated circuits (LSIC) becomes more and more prominent. In electronic product design, the thermal grease is usually used to realize effective heat conduct from heating device to cold plate and thereby to realize heat dispersion. The performances of the selected thermal conductive pad and thermal grease are tested and compared first in this paper. Then these performances are judged through thermal resistance test, solvent resistance test, conformal coating paint test and low temperature resistance test. The feasibility of replacing thermal grease with thermal conductive pad on PCB assemblies is analyzed, too.

thermal conductive pad; thermal conductivity; thermal contact resistance; total thermal resistance

2013-02-20

TN305.94

A

1008-5300(2013)03-0050-03

DA Bang-ning

(NanjingResearchInstituteofElectronicsandTechnology，Nanjing210039,China)