如何利用散热片和填隙材料优化热管理

作者：Jeff Shepard

良好的热管理对于确保电子器件的性能和可靠性非常重要。这在概念上很简单，首先转移源头的多余热量，并分散到更大的区域，以实现有效散热和冷却。但在许多情况下，实现过程却很有挑战性。

发热器件的表面通常不够光滑，没有可确保良好传热的低热阻抗。有的器件表面并非平面，这就加大了热管理的挑战。此外，需要冷却的元器件可能位于系统深处，要排出可能造成损坏的热量更加复杂。

导热膏和导热脂能用于改善导热率，但要达到必要的覆盖范围以确保良好的热传导，避免过度涂抹而导致电路板印制线污染或短路，这就比较棘手。并且，导热膏和导热脂不能从源头上横向散热。

不过，设计人员有多种导热界面材料 (TIM) 可以选择，包括填隙材料和散热片，以提供有效传热所需的持续低热阻抗，同时消除任何污染问题。为了满足特定的系统需求，TIM 可以采用垂直传热或横向散热的结构。TIM 有多种厚度可供选择，以满足特定应用的要求，在较高工作温度下具有机械稳定性和良好的可靠性。TIM 还可以提供较高的电气隔离，而且涂抹操作简单。

本文将回顾热管理内容，并提供一般 TIM 选择指南。然后介绍 Würth Elektronik 的几种 TIM 选项，并会探讨每种选项的应用和设计考虑。

什么是 TIM？

TIM 放置在热源和冷却组件之间，以改善热耦合和热流。两个因素可提高热耦合的效率。首先是 TIM 能够适应微观表面不规则性，消除了所有降低界面导热率的绝缘空气（图 1）。其次，TIM 具有将热量从源头有效地传递到冷却组件所需的导热率。导热率 K 的计量单位为 W/mK。其采用 ASTM D5470“Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials”（导热电气绝缘材料热传导性能标准试验方法）进行测量。

图 1：TIM（蓝色）用于填补元器件和冷却组件表面存在的微观不规则，以改善热耦合。（图片来源：Würth Elektronik）

除了导热率之外，在选择 TIM 时还要考虑几个因素：

· 工作温度范围很重要，因为各种 TIM 的温度范围各不相同。
· 配接表面之间的距离以及 TIM 是否需要压缩以提供最佳热传导。
· TIM 的压缩压力承受能力。
· 一些 TIM 的表面涂有粘合剂，可以进行机械固定。
· 和某些材料一样，TIM 的电气绝缘性能可用于提供电气隔离。
· 有些 TIM 是标准件，无最小订货量限制，也没有模具费用，而有些 TIM 则是定制形状，可以根据具体应用要求进行优化。

填隙材料的选择

WE-TGF 硅胶填隙材料是一种通用材料，设计用于需要电气隔离的低压力应用，其中 TIM 被压缩至自身厚度的 10% - 30%。超过建议的压缩量可能导致硅油排出，缩短材料的预期寿命，并可能污染印刷电路板（pc 板）。这些 TIM 设计用于两个机械固定表面之间，因为除了自然粘性之外，没有任何额外的粘合剂。厚度为 0.5 至 18 mm，导热率为 1 至 3 W/mK。厚度 0.5 至 3 mm 支持更高的导热率（图 2）。

图 2：Würth 的导热填隙材料可满足各种应用需求。（图片来源：Würth Elektronik）

例如，零件编号 40001020 是一个 400 x 200 mm 的垫片，厚度 2 mm、K 值 1 W/mK、介电强度或电击穿等级 (EBR) 8 kV/mm。WE-TGF 填隙材料的柔软和电气绝缘特性使其适合用于一个或多个电子元器件和冷却组件之间（图 3）。

图 3：硅胶弹性体间隙填充垫设计用于填充一个或多个电子元器件与冷却组件（例如散热器、冷却板或金属外壳）之间的间隙。（图片来源：Würth Elektronik）

对于需要电气隔离和更薄外形的热管理应用，设计人员可以使用 K 值 1.6 至 3.5 W/mK、厚度 0.23 mm 的 WE-TINS 导热硅胶绝缘体。零件编号 404035025 的 K 值为 3.5 W/mK，EBR 为 6 kV/mm。与 WE-TINS 系列的所有零件一样，404035025 组合使用导热硅橡胶和玻璃纤维网。网眼增加了机械强度，并且耐穿刺、耐剪切。由于结构的机械性能，这些 TIM 可以按需压缩，并且具有较高的拉伸强度。

导热相变材料和热转移胶带更薄，其剖面厚度仅 0.02 mm。例如，WE-PCM 系列的相变 TIM 在特定温度下从固体变为液体，提供完全浸湿的界面，而无任何溢出或流出。这些材料设计用于高性能集成电路或功率元器件和冷却组件。例如，零件编号 402150101020 尺寸为 100 平方毫米，两面有粘合剂，K 值 5 W/mK，EBR 3 kV/mm，相变温度 55 摄氏度 (°C)。

WE-TT 热转移胶带是一种双面胶，可以机械固定两个接触面。其 K 值为 1 W/mK，EBR 4 kV/mm，专为低压力应用设计。胶带长 25 m，宽度类型分为 8 mm（零件编号 403012008）和 50 mm（零件编号 403012050）。

石墨散热解决方案

合成石墨基的 TIM 具有最高水平的导热率（图 4）。WE-TGS 系列中的零件编号 4051210297017 是合成石墨散热片，尺寸 297 x 210 mm，K 值 1800 W/mK，不提供电气隔离。这些石墨片结合了高导热率、重量轻和厚度 (0.03 mm) 的特性，适用于从高功率半导体模块到手持设备的各种应用。

图 4：石墨散热片具有很高的导热性，具有多种尺寸，厚度仅为 0.03 mm。（图片来源：Würth Elektronik）

WE-TGFG 系列结合了石墨片和泡沫垫，形成独特的热管理解决方案，K 值 400 W/mK，EBR 1 kV/mm。产品可以制作成长衬垫作为散热片，将热量从源头横向转移到位于系统另一部分的冷却组件（图 5）。例如，零件编号 407150045015 长 45 mm，宽 15 mm，厚 1.5 mm，可用于需要间隙填充和横向传热的应用。

图 5：放在发热元器件顶部的 TIM 可以作为散热片，将元器件的热量横向转移。（图片来源：Würth Elektronik）

若要用诸如 WE-TGF 填隙材料这样的硅胶垫来实现更高的导热率，则需要将硅垫做得更薄。设计人员可以采用 WE-TGFG TIM 来填充不超过 25 mm 的间隙，其导热率比硅胶垫高得多，而且 WE-TGFG 零件可以按定制几何形状制造，以适应非平面空间（图 6）。

图 6：石墨泡沫衬垫（中间）可以按照各种几何形状进行制造，并用于连接热源（底部）和非平面散热元件（顶部）。（图片来源：Würth Elektronik）

组合 TIM 以获得更高性能

TIM 可以组合在一起，以提供更高的性能。例如，WE-TGS 石墨散热片可以与 WE-TGF 硅胶填隙材料组合使用，以便使用基底面超过热源的散热片，提高整个组件的冷却能力（图 7）。

图 7：将 WE-TGS 石墨散热片 (TIM 1) 与 WE-TGF 硅胶填隙材料 (TIM 2) 结合，可以使用比热元器件的基底面更大的散热器，提升冷却性能。（图片来源：Würth Elektronik）

一般应用指南

无论使用哪种 TIM 或 TIM 组合，设计人员都需要考虑一些一般应用指南：

· 元器件和冷却组件的表面需要清洁和干燥。应使用无绒棉签或抹布和异丙醇来清除表面的任何污染。
· 使用需要压缩的 TIM 时，应在整个表面均匀压缩材料。如果施加的压力超过规定等级，材料会损坏。
· 必须消除表面的所有气泡和/或间隙，以实现最佳导热率。
· TIM 工作温度必须能够适应环境温度和被冷却元件的温升。

总结

热管理是电子系统设计中存在的普遍问题。如上所述，设计人员可以采用各种材料的 TIM，包括硅胶、相变材料、石墨和泡沫垫。使用 TIM 可以提供有效传热所需的持续低热阻抗，同时消除了使用导热膏或导热脂可能出现的任何污染问题。

虽然导热膏和导热脂只能垂直传热，但设计人员可以选择垂直传热的填隙材料 TIM 或横向传热的散热片。最后，许多 TIM 无最小订货量限制或模具费用，因此是热管理设计的经济选择。