壓敏膠基導(dǎo)熱膠帶及其應(yīng)用

收稿日期：2014-04-01

作者簡介：藍濱，男，研究生，從事導(dǎo)熱界面產(chǎn)品技術(shù)支持工作。曾在國內(nèi)外雜志發(fā)表多篇論文。E-mail：flan@mmm.com。

摘要：壓敏膠基導(dǎo)熱膠帶的主要作用就是在提供粘接功能的同時，填充元器件與散熱器接觸面間的微觀縫隙，降低界面熱阻。介紹了導(dǎo)熱膠帶的結(jié)構(gòu)和功能，以及相關(guān)的性能測試。同時簡述了導(dǎo)熱膠帶對LED背光電視中燈條的粘接方案及其優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：熱界面材料；導(dǎo)熱膠帶；縫隙填充；LED燈條粘接

中圖分類號：TQ436+.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）05-0037-04

隨著大規(guī)模集成電路和微封裝技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的集成密度越來越高，體積也不斷縮小，散熱成為一個突出的問題。不但電子元器件的壽命隨使用溫度的升高而顯著縮減，而且在使用過程中，工作溫度過高也會導(dǎo)致系統(tǒng)死機或熱變形等問題。使用壓敏膠基導(dǎo)熱膠帶的主要作用就是在提供粘接功能的同時，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中減小傳熱熱阻，將產(chǎn)生的熱量及時擴散到環(huán)境或輔助散熱設(shè)備中去，保證元器件工作在容許工作溫度之內(nèi)。

1 導(dǎo)熱膠帶應(yīng)用原理

熱能的傳遞有3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。在一般機電系統(tǒng)中，熱量從元器件內(nèi)部需經(jīng)接觸界面?zhèn)髦辽崞骰蛲鈿さ壬崞骷?，主要是熱傳?dǎo)起作用；再通過散熱器傳遞到外部環(huán)境，這一過程以對流和輻射作用為主。對壓敏膠基導(dǎo)熱膠帶的應(yīng)用來說，其傳熱性能的好壞通常由其熱傳導(dǎo)參數(shù)衡量。

假設(shè)一系統(tǒng)中各點溫度不隨時間改變的穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài)，熱傳遞的方程式可以表示為式（1）：

其中：Q為單位時間系統(tǒng)傳熱量，單位為W，ΔT是傳熱點間的溫度差，R為傳熱途徑中各部分熱阻，表示為式（2）：

式中：δ和A為傳熱層的厚度及面積，而λ為傳導(dǎo)相應(yīng)比例系數(shù)，又稱熱導(dǎo)率。對于特定材料來說，其熱導(dǎo)率和外形尺寸無關(guān)，是標(biāo)志其導(dǎo)熱能力的固有性能參數(shù)。幾種主要材料在20 ℃的熱導(dǎo)率見表1。

由此可知，在一定結(jié)構(gòu)尺寸下，材料自身熱導(dǎo)率越高，其對傳熱的阻力越小，散熱能力越好。高分子類有機聚合物，由于分子鏈的無序纏結(jié)，分子質(zhì)量的多分散性及分子鏈振動對聲子的散射，無法形成完整晶體，熱導(dǎo)率較金屬晶體或無機非金屬化合物偏低。因此，金屬或陶瓷等普遍被用做傳熱材料，如金屬散熱器、散熱鰭片或陶瓷散熱片等。但金屬或陶瓷材料存在密度大、難于加工成型、成本高和無法適應(yīng)不同形狀導(dǎo)熱界面的缺點。特別是在和熱源器件直接接觸中，由于固體表面在微觀上粗糙不平，研究顯示，即使2固體表面接觸壓力高達10 MPa，其實際接觸面積僅占名義面積的1%～2%，其他部分的微觀縫隙中充斥的是低熱導(dǎo)率的空氣，導(dǎo)致界面熱阻很大，對熱量傳遞的阻礙作用不可忽視。包括導(dǎo)熱膠帶在內(nèi)的導(dǎo)熱界面材料，其作用就是填充在接觸面之間，驅(qū)除微觀縫隙內(nèi)的空氣，降低界面熱阻。

2 導(dǎo)熱界面材料

導(dǎo)熱界面材料主要應(yīng)具備以下特性：①高熱傳導(dǎo)性；②良好表面濕潤性；③適當(dāng)?shù)恼承?；④可壓縮性和柔軟性；⑤適合的熱線脹系數(shù)；⑥長期使用的穩(wěn)定性；⑦容易施工和處理等。市場常見界面材料包括：導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱襯墊、相變材料、導(dǎo)熱膠水和焊接材料等。除焊接材料采用熔化金屬填充縫隙的方式外，其他界面材料都利用高分子材料所具有的流動性和濕潤性排出縫隙中的空氣。但一般高分子材料的熱導(dǎo)率較低，本身具有良好導(dǎo)熱性能的聚合物價格昂貴且性能上缺乏穩(wěn)定性，因此大部分導(dǎo)熱界面材料都是在高分子基材中填充高導(dǎo)熱性的填料而制成的。填充料包括絕緣的氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）或?qū)щ姷匿X粉、銀粉等。其相應(yīng)熱導(dǎo)率和密度見表2。

3 壓敏膠基導(dǎo)熱膠帶

導(dǎo)熱膠帶可以是在支撐材料（如聚酰亞胺薄膜、玻璃纖維布及鋁箔等）單面或雙面涂敷導(dǎo)熱壓敏膠的膠帶，也可以是無基材的膠膜類產(chǎn)品。其主要目的是作為散熱器件的貼合材料，節(jié)省機械固定裝置，從而降低設(shè)備成本，減小空間預(yù)留尺寸；同時實現(xiàn)導(dǎo)熱、絕緣和固定的功能。導(dǎo)熱膠帶的施工與壓敏膠帶相同，相對其他液態(tài)導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膠水等，明顯簡化了工藝過程。一般而言，導(dǎo)熱膠帶的應(yīng)用主要是粘接特性，因此導(dǎo)熱顆粒填充量有限，熱導(dǎo)率通常范圍是0.6～1.5 W/mK，適合于小功率器件的應(yīng)用。

4 導(dǎo)熱壓敏膠帶的性能和測試

導(dǎo)熱壓敏膠帶的粘接要求與一般雙面膠大致相同，其粘接強度和環(huán)境老化性能的測試，除膠帶的剝離強度、剪切強度外，還可以參照其他相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。如國際常用UL-746C標(biāo)準(zhǔn)評估聚合物材料長期使用的工作溫度范圍。其求解方法為：預(yù)估一個性能值，如粘接強度等重要性能，規(guī)定其降低量不能大于50%。然后在幾個較高的老化溫度下測出老化后的性能變化量，使用描點法將達到要求所需時間的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)的關(guān)系在圖中表示出來，用回歸分析的最小面積法把各點用直線連接起來。時間-溫度關(guān)系式為式（3）：

Ln（t）=A+B/T （3）

式中：A為常數(shù)（頻度因子）；B為激活能（能量常數(shù)）；T為絕對溫度（K）；Ln為自然對數(shù)。

通過求解系數(shù)A和B，估算出待測試材料能滿足使用性能的相對熱指數(shù)。再考慮正常情況下可能遇到的環(huán)境條件，及可預(yù)見的濫用狀況，推算該材料預(yù)計使用溫度和使用壽命的關(guān)系。例如美國3M公司的88系列導(dǎo)熱膠帶，在經(jīng)過1 000 h/150 ℃高溫老化測試、高濕測試和冷熱循環(huán)測試后，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)推算的測試結(jié)論為：在使用溫度不超過100 ℃的環(huán)境下，使用壽命大于40 000 h。

評估導(dǎo)熱膠帶的傳熱性能可分為2個方面。一方面是產(chǎn)品本身固有的熱導(dǎo)率，及厚度、硬度等，這些參數(shù)的典型值是在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定下測得，如熱導(dǎo)率可以根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)D5470中相應(yīng)方法測定；另一方面是膠帶實際工作中的使用性能，即以熱阻或熱阻抗表示的傳熱效率，它是膠帶本身的熱阻和與接觸界面的接觸熱阻的組合，其數(shù)值不但包括界面面積、膠帶厚度和壓縮量等幾何尺寸，也包括接觸表面的粗糙度，以及膠面與接觸面的濕潤狀況。

根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，材料的熱阻和其厚度成正比。理論上講，對同樣均勻結(jié)構(gòu)膠帶，其厚度越薄對傳熱的阻礙越?。坏z帶厚度的增加同樣對界面上縫隙的濕潤能力增加（圖1）。

圖2中將鋁制散熱片用膠帶貼敷在玻璃板上，從玻璃面可以觀察到其濕潤面積隨厚度的增加而增大。當(dāng)濕潤面積增加時不但粘接強度增大，相應(yīng)界面熱阻也會減小。對于整體熱阻來說，膠帶厚度的增加一方面增加本身的熱阻，同時減小界面熱阻，是一個相反的趨勢。因此在選取膠帶厚度時，需要綜合考慮其本身的熱導(dǎo)率和濕潤性，選擇一個優(yōu)化的平衡點。

5 導(dǎo)熱膠帶使用工藝

除壓敏膠自身的成分和厚度外，貼合時施加的壓力、施工溫度、建立強度的時間，及粘接表面性質(zhì)如粗糙度、表面能等都對最終性能有很大影響。導(dǎo)熱膠帶的施工和使用與一般壓敏膠帶類似，包括粘接表面的預(yù)清理，手工或機械貼敷及保壓，及后續(xù)養(yǎng)護至膠帶完全濕潤表面以建立粘接強度的工藝過程。需要注意的是：（1）應(yīng)保證被粘物表面無油脂、灰塵等污染物，適當(dāng)使用溶劑清潔；（2）粘接過程需施加一定均勻的壓力，一般不超過103 kPa，保壓時間通常為數(shù)秒；（3）提供一定的養(yǎng)護時間以建立粘接強度。一般在適當(dāng)溫度下養(yǎng)護72 h，避免粘接的部件過早置于低溫環(huán)境或承受載荷；（4）施工環(huán)境溫度保證在15 ℃以上，必要時可采用局部加熱的方法。

6 導(dǎo)熱膠帶應(yīng)用

導(dǎo)熱壓敏膠帶的應(yīng)用對象為一些小功率、對溫度敏感、而且空間有限無法配置主動散熱的元器件。這其中包括功率芯片散熱片的粘接、電源整流管與散熱器的固定等，LED背光源電視中發(fā)光二極管 （LED）的散熱也是其最主要的應(yīng)用之一。

LED背光源電視按光源入射位置可分為直下式和側(cè)入式2類。目前市場主流的側(cè)入式是將LED以燈條形式安裝在經(jīng)過特殊設(shè)計的導(dǎo)光板側(cè)邊作為背光源。LED的原理決定其工作溫度對使用性能有很大影響，不但LED的光衰壽命隨溫度升高而呈指數(shù)減少，發(fā)光的波長也會隨溫度的不同產(chǎn)生小幅度偏移，需要對其配置適當(dāng)?shù)纳岱桨浮Ｔ趥?cè)入式電視中，通常設(shè)計將LED燈條熱量傳至鋁制散熱器或散熱背板進行散熱。

由于電視使用壽命的要求，LED燈條和背板之間無法像計算機內(nèi)一樣采用導(dǎo)熱油脂等易老化失效的產(chǎn)品。業(yè)界少數(shù)廠家使用螺絲直接緊固的方法。但燈條和背板均為硬質(zhì)材料，其微縫隙中的空氣無法驅(qū)除。而且由于緊固位置靠近螺絲的地方貼合緊密，導(dǎo)熱相對其他位置較好。熱模擬分析顯示，燈條上LED顆粒的溫度呈周期性變化。雖然短期內(nèi)對LED工作溫度的差異影響較小，但仍然有可能導(dǎo)致LED顆粒間亮度衰減不一，長期使用一致性下降，屏幕出現(xiàn)亮度不均勻的情況。更為嚴重的是，液晶面板中具有多層光學(xué)膜片，如果與LED燈條接近的邊緣受熱不均，也會出現(xiàn)不同程度的翹曲，導(dǎo)致屏幕顯示不均勻。使用螺絲安裝的另一問題是需要在燈條的鋁質(zhì)基板上打孔，采用沖壓等機械方式容易引起燈條的變形，而激光等非接觸工藝又會帶來成本的上升和生產(chǎn)效率的下降。兼具傳熱性能和粘接性能的導(dǎo)熱膠帶成為LED燈條安裝的更佳選擇。

使用導(dǎo)熱膠帶燈條被直接粘接在鋁散熱器上，可以省略固定螺絲的使用。導(dǎo)熱膠帶具有良好的厚度和材質(zhì)的均勻性，可使各部分傳熱均衡，避免了因螺絲位置引起緊固力周期性影響而導(dǎo)致LED使用溫度不均勻的現(xiàn)象。同時采用導(dǎo)熱膠帶粘接方案安裝LED燈條較其他工藝具有更高的可靠性，在各項加速老化的環(huán)境測試如冷熱沖擊測試中，其熱阻基本保持穩(wěn)定。業(yè)界測試能夠滿足對電視工作條件下100 000 h的壽命要求。市場實際LED背光源電視的LED燈條粘接就使用膠帶的粘接方案。而這一方法已經(jīng)成為市場同類產(chǎn)品制造的主流。

7 結(jié)語

壓敏膠基導(dǎo)熱膠帶，在提供粘接作用的同時，兼具填充元器件接觸面間微縫隙、減小界面熱阻的功能?？梢詽M足流水線裝配工程的需要，提高生產(chǎn)效率；免除打孔、螺絲緊固等加工成本。在LED背光源電視的燈條安裝工藝中，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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