導(dǎo)熱墊在機(jī)載電子設(shè)備中的選擇與應(yīng)用

楊龍, 王婉人, 任召

（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068）

0 引言

隨著元器件功耗的增加，僅依靠元器件與印制板接觸面的傳導(dǎo)和非接觸面的輻射的自然散熱已經(jīng)不能滿足元器件的散熱需求，自然散熱對元器件的熱流密度有嚴(yán)格限制[1]。為提升散熱效率，就需要增加元器件的散熱面積，以及選擇其它（如強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻等）更高效的散熱方式，這些措施都需要使發(fā)熱元器件與散熱器接觸以傳遞熱量。當(dāng)兩個(gè)粗糙表面相互接觸時(shí)，即使在10 MPa量級(jí)的接觸壓強(qiáng)下，真實(shí)的接觸面積也僅占名義接觸面積的1%～2%[2]，其余的間隙部分是空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，僅有0.024 W/m·K，因此就造成了比較大的接觸熱阻。而使用熱界面材料就可以填充這個(gè)空氣隙，可降低接觸熱阻，提高散熱性能，同時(shí)避免了元器件與散熱器剛性接觸導(dǎo)致的干涉問題。

常用的熱界面材料包括導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱灌封膠、導(dǎo)熱環(huán)氧膠等[3]?；跈C(jī)載電子設(shè)備對可靠性和一致性的高度要求，導(dǎo)熱墊由于操作工藝簡單、性能穩(wěn)定從而得到了廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)熱墊的組成采用高分子材料為基體，填充導(dǎo)熱顆粒從而形成復(fù)合材料?；w一般選用硅油、橡膠和樹脂類材料，導(dǎo)熱顆粒則包括金屬填料、陶瓷顆粒及碳材料等。其中金屬填料會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)電性能提高，在對絕緣性能要求高的電子設(shè)備中需對金屬進(jìn)行預(yù)處理。陶瓷顆粒生成的復(fù)合材料一般導(dǎo)熱系數(shù)較低、絕緣性能高。碳材料一般在特定方向具有較高導(dǎo)熱率，需要控制填料取向。不同的導(dǎo)熱墊具備不同的物理特性，適應(yīng)于不同的環(huán)境條件。本文以機(jī)載電子設(shè)備典型環(huán)境為輸入，分析了導(dǎo)熱墊的選用方法，以及導(dǎo)熱墊在使用過程中應(yīng)注意的問題。

1 機(jī)載電子設(shè)備的典型環(huán)境要求

機(jī)載電子設(shè)備應(yīng)用環(huán)境較為惡劣，主要體現(xiàn)在高低溫環(huán)境要求、振動(dòng)要求及氣候防護(hù)要求等。

1.1 溫度環(huán)境要求

機(jī)載電子設(shè)備高溫一般要求滿足70 ℃環(huán)境溫度，此時(shí)元器件殼溫可能達(dá)到125 ℃。低溫要求為-55 ℃，這就要求導(dǎo)熱墊使用溫度環(huán)境要超出-55～125 ℃的溫度范圍。同時(shí)，長期在高溫或低溫環(huán)境下工作，導(dǎo)熱墊作為高分子聚合物，性能可能會(huì)下降?；跈C(jī)載電子設(shè)備對可靠性和壽命的高要求，導(dǎo)熱墊性能應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定，避免因長期使用而導(dǎo)致性能下降。

1.2 振動(dòng)環(huán)境要求

機(jī)載電子設(shè)備需要隨飛機(jī)經(jīng)歷各種振動(dòng)環(huán)境，其中包括運(yùn)輸、加速度、沖擊、隨機(jī)振動(dòng)、跌落等。導(dǎo)熱墊在機(jī)載電子設(shè)備全壽命周期內(nèi)，不能出現(xiàn)脫落、分層或?qū)嵝阅芟陆档葐栴}。

1.3 氣候環(huán)境要求

機(jī)載電子設(shè)備面臨復(fù)雜而嚴(yán)酷的氣候環(huán)境要求，包括鹽霧、霉菌、濕熱、砂塵、淋雨、流體污染等。雖然導(dǎo)熱墊一般不會(huì)直接面對這些惡劣環(huán)境，但也應(yīng)具備相應(yīng)的抗惡劣氣候環(huán)境能力，避免在受到間接影響后失效。

2 導(dǎo)熱墊選用

導(dǎo)熱墊選用主要是以性能指標(biāo)為基礎(chǔ)。導(dǎo)熱墊性能主要分為熱性能、電性能、力學(xué)性能，以及氣候環(huán)境適應(yīng)性等。

2.1 熱性能相關(guān)指標(biāo)

典型的導(dǎo)熱墊使用場景如圖1所示。

圖1 導(dǎo)熱墊使用場景

從圖1 可以看出，元器件產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱墊傳遞到散熱器。根據(jù)熱流傳遞基本公式：Q=KAΔt/L，其中在元器件確定的情況下，Q（功耗）及A（元器件面積）為定值。Δt與導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)成反比，與厚度成正比。由于熱量經(jīng)過導(dǎo)熱墊片后，傳熱界面突然擴(kuò)大，熱流密度快速衰減，因此導(dǎo)熱墊的熱阻對散熱有重大影響[4]。原則上導(dǎo)熱墊選擇時(shí)應(yīng)盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)高的產(chǎn)品，以及厚度較薄的導(dǎo)熱墊。

在實(shí)際應(yīng)用中，首先應(yīng)注意到導(dǎo)熱材料的熱阻值同厚度并不是完全成正比關(guān)系。這是因?yàn)閷?dǎo)熱材料大都不是單一成分組成，相應(yīng)會(huì)有非線性變化。厚度增加，熱阻值一定會(huì)增大，且不一定是完全成正比的線性關(guān)系，可能是更陡的曲線關(guān)系，因此厚度對散熱影響較大。但是，由于導(dǎo)熱墊存在一定的厚度規(guī)格，壓縮率一般也不宜太大，選用導(dǎo)熱墊厚度時(shí)應(yīng)綜合考慮元器件焊接誤差、散熱器加工誤差等，應(yīng)確保導(dǎo)熱墊變形能覆蓋整個(gè)尺寸鏈的誤差，因此設(shè)計(jì)導(dǎo)熱墊厚度時(shí)也應(yīng)綜合考慮各種因素影響。

從導(dǎo)熱系數(shù)方面，目前主流的導(dǎo)熱墊廠家提供的產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)一般為5 W/（m·K）和8 W/（m·K），最高可達(dá)15 W/（m·K）。

2.2 電性能

電性能主要包括擊穿電壓、電氣強(qiáng)度、體積電阻率等。由于導(dǎo)熱墊直接與結(jié)構(gòu)件和散熱器接觸，而散熱器一般為金屬材料，元器件殼體如果為金屬封裝，就可能出現(xiàn)短路現(xiàn)象。因此，導(dǎo)熱墊應(yīng)具備一定的絕緣能力?？紤]機(jī)載電子設(shè)備常用電壓包括270、115 V等，一般要求導(dǎo)熱墊擊穿電壓在5000 V以上，電氣強(qiáng)度在10 kV/mm以上，以確保元器件與散熱器的可靠絕緣。

2.3 力學(xué)性能

力學(xué)性能包括硬度、密度、撕裂強(qiáng)度、壓縮永久變形（常溫/高溫/低溫）、壓縮率、高溫性能、低溫性能、溫變性能、阻燃等級(jí)等。目前國產(chǎn)導(dǎo)熱墊密度在2.5～3.5 g/cm3之間，考慮機(jī)載電子設(shè)備一貫以來的減重需求，盡量選用低密度導(dǎo)熱墊。硬度指標(biāo)（shore 00）范圍較大，邵氏硬度一般在30～80之間。硬度指標(biāo)直接與導(dǎo)熱墊變形過程中產(chǎn)生的壓力相關(guān)，因此盡量選用硬度較低的產(chǎn)品。撕裂強(qiáng)度代表了材料的強(qiáng)度和反復(fù)拆卸時(shí)的抗破壞能力，一般指標(biāo)在0.4～0.6 kN/m，選用時(shí)應(yīng)盡量考慮強(qiáng)度較大的產(chǎn)品。壓縮永久變形代表導(dǎo)熱墊壓縮后的回彈能力，分別在125、-55及23 ℃環(huán)境下，壓縮率為25%，壓縮時(shí)間24 h，釋放應(yīng)力后30 min進(jìn)行測試。目前國產(chǎn)導(dǎo)熱墊壓縮永久變形在40%～65%之間，因此不建議對導(dǎo)熱墊進(jìn)行重復(fù)使用。壓縮率一般在20 psi壓力及30 s時(shí)間后進(jìn)行測量，代表了導(dǎo)熱墊變形能力，一般應(yīng)選用壓縮率較高的產(chǎn)品。高溫性能是指導(dǎo)熱墊在125 ℃環(huán)境下500 h/1000 h后的熱阻，低溫性能是-55 ℃環(huán)境下500 h/1000 h后的熱阻，溫度變化性能是指從-55～125 ℃、升降溫速率為10 ℃/min，極限溫度停留時(shí)間30 min，總共500 h/1000 h后的熱阻。此3項(xiàng)指標(biāo)代表導(dǎo)熱墊抗高低溫及溫度變化能力，一般應(yīng)選取指標(biāo)變化較小的產(chǎn)品。同時(shí)，導(dǎo)熱墊應(yīng)滿足機(jī)載設(shè)備中對材料的阻燃等級(jí)要求。

2.4 氣候環(huán)境適應(yīng)性

氣候環(huán)境適應(yīng)性包括鹽霧、霉菌、濕熱、淋雨、流體污染、砂塵等性能，主要證明產(chǎn)品滿足全壽命周期的使用要求。由于導(dǎo)熱墊片一般安裝在模塊內(nèi)部，不直接面對氣候環(huán)境，因此該項(xiàng)性能可隨整機(jī)進(jìn)行測試。同時(shí)，也可按相應(yīng)國軍標(biāo)單獨(dú)完成如鹽霧96 h、濕熱28 d或霉菌10 d等試驗(yàn)，完成后對導(dǎo)熱墊性能進(jìn)行熱阻測試。完成試驗(yàn)后的導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能都存在不同程度的降低，應(yīng)選取性能變化較小的導(dǎo)熱墊片。

3 導(dǎo)熱墊使用研究

在使用導(dǎo)熱墊前，首先應(yīng)裁剪成與元器件尺寸相同的形狀，以便在導(dǎo)熱墊貼合元器件后，充分利用元器件的散熱面。在使用導(dǎo)熱墊過程中，主要考慮兩個(gè)與使用相關(guān)的問題：一是導(dǎo)熱墊在壓縮過程中對元器件產(chǎn)生的壓力，合適的安裝間隙和壓縮率設(shè)計(jì)是保證元器件長期穩(wěn)定工作的重要因素。另一個(gè)問題是為固定導(dǎo)熱墊和更好地填充間隙，導(dǎo)熱墊本身存在一定的黏性，在長時(shí)間使用后分離散熱器與元器件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的一定的應(yīng)力，該應(yīng)力可能導(dǎo)致元器件焊點(diǎn)開裂等故障。

3.1 壓力

在導(dǎo)熱墊壓縮過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力。同時(shí)，元器件承受壓力也是有一定的要求。以某CPU器件為例，元器件手冊中規(guī)定的器件最大許用應(yīng)力為45 N。根據(jù)器件的面積算出器件的最大許用壓強(qiáng)為36.7 psi（253 kPa）。

根據(jù)導(dǎo)熱墊選用方法，在確定導(dǎo)熱墊型號(hào)后，可從手冊中獲得其壓縮應(yīng)力曲線。以CHLT系列導(dǎo)熱墊為例，其壓縮應(yīng)力曲線如圖2所示。

圖2 CHLT導(dǎo)熱墊的壓縮應(yīng)力曲線

根據(jù)器件最大許用壓強(qiáng)36.7 psi，查導(dǎo)熱墊的壓縮應(yīng)力曲線，得到導(dǎo)熱墊的最大許用壓縮率為27%，因此導(dǎo)熱墊厚度設(shè)計(jì)時(shí)，最大壓縮率就不能超過27%。此時(shí)，如果選擇1.5 mm厚度規(guī)格的導(dǎo)熱墊，安裝壓縮率選擇為20%，導(dǎo)熱墊預(yù)留間隙可設(shè)計(jì)為1.2 mm。0.3 mm的間隙需滿足結(jié)構(gòu)件尺寸公差、元器件高度公差、焊接公差等要求，保證導(dǎo)熱墊能夠與器件可靠接觸，同時(shí)不至于產(chǎn)生更大的壓力。其中元器件高度范圍在器件手冊一般都比較大，導(dǎo)熱墊變形無法滿足該尺寸，因此需對不同批次元器件進(jìn)行測量，確定焊接高度誤差。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免尺寸鏈中引入其它變量（如印制板厚度等）因素。

為降低導(dǎo)熱墊壓縮應(yīng)力，可采取導(dǎo)熱墊中間開槽的形式。一般而言，在導(dǎo)熱墊面積大于20 mm×20 mm時(shí)，就可在導(dǎo)熱墊中心位置設(shè)計(jì)開槽，推薦開槽寬度為1 mm，形狀根據(jù)導(dǎo)熱墊外形確定。表1為某型40 mm×40 mm導(dǎo)熱墊在不同厚度的情況下，中心開寬度為1 mm×30 mm的十字槽時(shí)，不同壓縮率產(chǎn)生的壓力對比如表1所示。

表1 導(dǎo)熱填充材料開槽與無槽壓縮應(yīng)力對比 kN

通過測試可以看出，對導(dǎo)熱填充材料中部開槽可以有效地降低導(dǎo)熱填充材料壓縮所產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，在元器件對壓力較為敏感的情況下，可通過導(dǎo)熱墊開槽的方式降低壓縮應(yīng)力，具體開槽尺寸和效果可通過測試進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 分離應(yīng)力

為保證導(dǎo)熱墊片與元器件或散熱器良好地接觸及固定，導(dǎo)熱墊本身存在一定的黏性。長期使用后會(huì)導(dǎo)致元器件與導(dǎo)熱墊、散熱器與導(dǎo)熱墊緊密接觸，在拆卸過程中會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力。因此，在使用過程中需要分析測試導(dǎo)熱墊的分離強(qiáng)度，判斷對元器件的影響。以某型導(dǎo)熱墊為例，將導(dǎo)熱墊制作成30 mm×30 mm大小的樣品，在對其進(jìn)行壓縮變形20%，同時(shí)保持24 h后，采用拉力計(jì)測試其在常溫下不同厚度條件下的分離力，如表2所示。測試1.5 mm厚的導(dǎo)熱墊在不同溫度條件下的分離強(qiáng)度，如表3所示。

表2 厚度對分離強(qiáng)度的影響

表3 溫度對分離強(qiáng)度的影響

從測試結(jié)果可以看出：1）導(dǎo)熱墊分離強(qiáng)度與厚度相關(guān)，但并非正比關(guān)系；2）升溫會(huì)使導(dǎo)熱墊分離強(qiáng)度增高，不利于拆卸，因此建議在常溫進(jìn)行導(dǎo)熱墊的拆卸。

根據(jù)測試所得拉力，可通過有限元仿真的方式，判斷其對元器件的影響。建立標(biāo)準(zhǔn)印制板組件模型（如圖3），印制板尺寸為60 mm×60 mm×2 mm，元器件尺寸為40 mm×40 mm×3 mm，焊點(diǎn)材料為63Sn37Pb，焊盤為銅。印制板四角約束，元器件頂部施加分離力，仿真印制板組件受力。其材料屬性如表4所示，選擇3種不同的導(dǎo)熱墊分離力，仿真結(jié)果如表5所示。

表4 材料物性

表5 不同導(dǎo)熱墊印制板組件受力

以BGA器件允許的最大印制板應(yīng)變?yōu)?×10-4作為合格 判 據(jù)[5]，可 發(fā)現(xiàn)A導(dǎo)熱墊的印制板應(yīng)變和焊點(diǎn)應(yīng)力小于判據(jù)，滿足要求。B導(dǎo)熱墊的印制板應(yīng)變和焊點(diǎn)應(yīng)力等于判據(jù)，沒有安全裕量。C導(dǎo)熱墊印制板應(yīng)變和焊點(diǎn)應(yīng)力大于判據(jù)，有損傷風(fēng)險(xiǎn)。

從仿真結(jié)果可以看出，如果導(dǎo)熱墊分離力過大，確實(shí)存在對元器件造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。因此，在導(dǎo)熱墊選擇時(shí)，首先可考慮選擇單面帶膠的導(dǎo)熱墊，可有效降低分離應(yīng)力。其次對導(dǎo)熱墊的黏性進(jìn)行評估，在設(shè)計(jì)時(shí)通過測試和仿真選擇黏性較低的產(chǎn)品。

4 結(jié)語

導(dǎo)熱墊可有效改善元器件與散熱器之間的熱傳導(dǎo)，對元器件長期穩(wěn)定的工作和壽命起著至關(guān)重要的作用。導(dǎo)熱墊的技術(shù)發(fā)展也在不斷提升中，碳納米管、石墨烯等新型填充材料的不斷發(fā)展使導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱性能不斷提升。

圖3 1/4印制板組件模型

機(jī)載電子產(chǎn)品作為一種特定環(huán)境下的電子設(shè)備，其對導(dǎo)熱墊的要求更為嚴(yán)苛。本文通過分析機(jī)載環(huán)境要求中溫度、振動(dòng)、氣候等條件，結(jié)合導(dǎo)熱墊固有的熱性能、力學(xué)性能、電性能及氣候環(huán)境適應(yīng)性能進(jìn)行了分析，給出了導(dǎo)熱墊的選擇方法。同時(shí)，根據(jù)導(dǎo)熱墊使用中壓縮后壓力過大和拆卸應(yīng)力問題，根據(jù)測試和仿真，給出了導(dǎo)熱墊開槽、選擇單面帶膠的導(dǎo)熱墊等解決措施，為導(dǎo)熱墊在機(jī)載環(huán)境中的正確選用提供了建議，為機(jī)載電子設(shè)備的長期穩(wěn)定工作提供了支撐。