導(dǎo)熱墊使用問題的探討

摘 要：本文通過對導(dǎo)熱墊的特點(diǎn)和工作原理進(jìn)行介紹，探討了造成導(dǎo)熱墊未能充分填充發(fā)熱芯片和散熱冷板之間的間隙的各種原因，并總結(jié)出導(dǎo)熱墊設(shè)計(jì)的方法，可指導(dǎo)導(dǎo)熱墊選用和設(shè)計(jì)，避免此類故障再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱墊;散熱;填充

導(dǎo)熱墊是一種常見熱界面材料，由于它具有較高的導(dǎo)熱性能、可靠性、高填充性和維修性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電信、電子等領(lǐng)域。導(dǎo)熱墊一般具有較高的彈性，可以對不同尺寸的間隙進(jìn)行填充。但在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常發(fā)生導(dǎo)熱墊未能充分填充發(fā)熱芯片和散熱冷板之間的間隙，導(dǎo)致發(fā)熱芯片的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，從而引起設(shè)備故障。

1 導(dǎo)熱墊介紹

常見的導(dǎo)熱墊是由有機(jī)硅樹脂、導(dǎo)熱顆粒、粘接劑等物質(zhì)組成的混合物，可在相對較低的壓力下可實(shí)現(xiàn)低界面熱阻性能，應(yīng)用于發(fā)熱芯片與散熱冷板之間，可以有效排除空氣，降低接觸熱阻，達(dá)到提高散熱的效果。導(dǎo)熱墊具有一定的彈性，可以填充不同的間隙。導(dǎo)熱墊墊安裝在散熱冷板和發(fā)熱芯片之間，將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱冷板中，從而降低芯片的溫度。

導(dǎo)熱墊壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，壓縮應(yīng)力隨著壓縮量的增大而增大，某型導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)如下表所示。在選用導(dǎo)熱墊時(shí)要注意導(dǎo)熱墊壓縮時(shí)的壓縮應(yīng)力不應(yīng)大于發(fā)熱芯片的最大需用壓力，否則會(huì)對芯片造成損傷。

在導(dǎo)熱墊設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)熱芯片頂部與散熱冷板之間的預(yù)留間隙尺寸是導(dǎo)熱墊正常工作的關(guān)鍵，理想情況下，預(yù)留間隙尺寸推薦設(shè)計(jì)為導(dǎo)熱墊壓縮25%后的厚度值。但在實(shí)際電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，尤其是產(chǎn)品批量生產(chǎn)后，生產(chǎn)中各個(gè)環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生一定的公差，在這些公差的綜合作用下，最終會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱墊不能充分貼合，從而引發(fā)故障。下面就對造成這種故障的原因進(jìn)行分析。

2 原因分析

2.1 芯片的高度誤差

芯片在出廠時(shí)，芯片的外形尺寸具有一定的公差，有的芯片公差范圍較大，有的芯片尺寸公差范圍較小。例如，根據(jù)電源芯片LTM4600HVIV的手冊可以查得，LTM4600HVIV芯片的高度最小值為2.72mm，最大值為2.92mm。根據(jù)AD581芯片手冊可查得，該芯片的高度最小值為4.19mm，最大值為4.70mm。

2.2 焊接工藝

芯片采用不同焊接工藝時(shí)，受焊料類型、焊接形式、焊接工藝、焊盤大小，焊球直徑等因素的影響，焊接后芯片的高度也存在差異。相同的BGA芯片在分別采用CBGA焊球形式焊接時(shí)和CCGA焊柱形式焊接時(shí)，焊接后芯片高度差異較大。即使選擇相同結(jié)構(gòu)的CBGA結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用有鉛共晶焊料和無鉛焊料進(jìn)行焊接時(shí)，焊接后芯片高度也存在差異。在某些特定情況下，BGA芯片需要重新值球，焊球直徑的大小和焊盤的大小也影響芯片焊接后的高度。

2.3 散熱冷板的加工誤差

散熱冷板在加工時(shí)存在一定的加工誤差。雖然目前散熱板通常采用數(shù)銑加工，加工精度較高，但需要注意散熱冷板在設(shè)計(jì)時(shí)的尺寸標(biāo)注，避免產(chǎn)生累計(jì)公差，參照參考文獻(xiàn)[1]。此外，由于散熱冷板一側(cè)需要銑出較多的散熱翅片，用于增大散熱面積，這樣散熱冷板一側(cè)的銑削量較大，散熱板在冷加工后易產(chǎn)生翹曲變形，導(dǎo)致散熱面的平面度較差。在散熱冷板設(shè)計(jì)時(shí)要注意避免這種翹曲變形。

2.4 導(dǎo)熱墊來料誤差

導(dǎo)熱墊在出廠時(shí)，導(dǎo)熱墊的外形尺寸存在一定公差范圍，我們這里特別關(guān)注導(dǎo)熱墊的在厚度方向公差范圍。例如Gap Pad系列導(dǎo)熱墊厚度的公差規(guī)定如下：當(dāng)導(dǎo)熱墊厚度小于等于10mil時(shí)，導(dǎo)熱墊厚度公差為±1mil;當(dāng)導(dǎo)熱墊厚度>10mil時(shí)，導(dǎo)熱墊厚度公差為±10%。此外，導(dǎo)熱墊在運(yùn)輸和傳遞過程中，沒有專門的保護(hù)措施，經(jīng)常層疊放置，導(dǎo)致處于底部的導(dǎo)熱墊承受了一定的壓力，產(chǎn)生塑性變形，使導(dǎo)熱墊厚度減小。

2.5 裝配問題

常用導(dǎo)熱墊的厚度主要有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等規(guī)格，這些不同規(guī)格的導(dǎo)熱墊外觀均一致，僅僅是厚度有差異，且差異很小。在實(shí)際使用過程中，很容易安裝了錯(cuò)誤厚度的導(dǎo)熱墊，導(dǎo)致故障。

2.6 印制板加工

印制板加工不合格，局部翹曲變形較大也可能導(dǎo)致導(dǎo)熱墊和散熱芯片不緊密貼合。

3 導(dǎo)熱墊設(shè)計(jì)方法

綜合以上分析，在導(dǎo)熱墊設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮元芯片、散熱冷板、導(dǎo)熱墊和印制板等諸多因素，所以在導(dǎo)熱墊設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮，一般情況下，導(dǎo)熱墊可按照以下方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：

第一步：查詢芯片手冊，得到芯片的最大許用壓強(qiáng);

第二步：導(dǎo)熱墊選型，確定選用的導(dǎo)熱墊的類型和導(dǎo)熱系數(shù)，得到導(dǎo)熱墊的壓縮應(yīng)力曲線;

第三步：根據(jù)芯片最大許用壓強(qiáng)值結(jié)合導(dǎo)熱墊的壓縮應(yīng)力曲線，得到導(dǎo)熱墊的最大壓縮率;

第四步：根據(jù)導(dǎo)熱墊的最大壓縮率，選擇導(dǎo)熱墊的厚度，從而得到導(dǎo)熱墊的預(yù)留間隙值，導(dǎo)熱墊壓縮率推薦不小于25%;

第五步：根據(jù)導(dǎo)熱墊的預(yù)留間隙值，設(shè)計(jì)散熱板尺寸，注意避免累積誤差和翹曲編寫;

第六步：在根據(jù)元芯片厚度公差和車間加工水平，計(jì)算出芯片焊接后高度的變化范圍，對芯片焊接后高度的變化范圍劃分區(qū)間，根據(jù)不同區(qū)間選擇不同厚度的導(dǎo)熱墊。

4 小結(jié)

總上所述，當(dāng)電子產(chǎn)品進(jìn)入大批量生產(chǎn)后，由于生產(chǎn)過程控制不嚴(yán)格、工藝控制不到位和操作人員水平不一等因素，造成導(dǎo)熱墊問題開始凸現(xiàn)。在導(dǎo)熱墊來料公差、焊接工藝、冷板平面度、芯片外形公差、印制板翹曲度等因素的累加作用下，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱墊在特定的條件下無法充分填充，從而導(dǎo)致故障發(fā)生。本文對這類故障的原因進(jìn)行探討，并總結(jié)出導(dǎo)熱墊的設(shè)計(jì)方法，可以指導(dǎo)導(dǎo)熱墊的設(shè)計(jì)和選用，其它類型的熱界面材料也可參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]任召，周堯，李曉明.熱界面材料的設(shè)計(jì)要點(diǎn).機(jī)械工程師，2016（11）：170-171.

[2]江平開，陳金，黃興溢.高導(dǎo)熱絕緣聚合物納米復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀.高電壓技術(shù)，2017（09）：2791-2799.

[3]胡思聰，吳豐順，莫麗萍，劉輝，周政.聚合物基熱界面材料的研究現(xiàn)狀.電子元件與材料，2018（12）：1-8.