2022.4.26

热传导率和热阻抗|选择TIM相关的热特性

TWC向客户发出的讯息

随着电子设备所使用半导体封装的高集成化,必须采取措施防止热量产生。作为热量控制的手段,一般是向热扩散器、散热片等散热构件传递热量,而为了将半导体芯片产生的热量有效传送,“TIM(Thermal Interface Material)”必不可少。

使用/选择TIM时,需要具备有关热特性的基础知识。在此对热传导率和热阻抗进行解说后,介绍TIM的类型和操作性。

TIM的特点

在减少电子部件产生的热量时,一般采取将热量传导到热扩散器、散热片、外装框体等散热材料来进行散热的手段。TIM封装在作为发热部的半导体芯片与散热材料之间。

TIM的特点

TIM的使用目的

如果发热体与散热构件直接接触,即使在宏观层面上看似接触,但在微观层面上表面有细微的凹凸,所以界面会存在气隙。由于气隙的热传导率非常低,因此来自发热体的热量会避开气隙传导,从而导致散热效率低下。为了解决这个问题,需要使用TIM来填充气隙,从而有效传热。

TIM的选择需要考虑发热体和散热构件的材质和表面形状等,不仅要着眼于与热传导相关的特性,还要注意柔软性和操作性等。

TIM的使用目的

热传导率和热阻抗

选择TIM时首先要注意的是与传热相关的热特性,理解热传导率和热阻抗至关重要。

热传导率

热量只能通过传导、对流和辐射从高温处传导到低温处,不会反向传导(热力学第二定律)。移动构件的热能可以通过傅立叶方程计算。

热传导率

热传导率是表示传热难易度的数值,是物质固有的值。材料的热传导率越高,传热速度就越快,因此冷却效果很高。

热阻抗

除了热传导率以外,热阻是表示材料热特性的一个指标。热阻通过以下计算公式得出。

热阻抗

当热传导率恒定时,热阻取决于材料的厚度和个体相互接触的传热面积。

但是,如果构件表面有细微的凹凸面,并且有形成气隙的接触界面,那么构件之间的接触面就会产生对于热流的阻力。有必要考虑构件自身的热阻和构件之间接触界面产生的热阻之和,也就是总阻抗(热阻抗)。

热阻抗

热阻抗是对于从高温部表面流向低温部表面的热流的总热阻。因此,热阻抗θ通过以下计算公司进行计算。

热阻抗

选择TIM需要热分析和评估

为了降低接触界面的热阻,TIM必须在厚度方向上具有高热传导率,同时具备填充气隙的柔软性。

TIM的规格参数中记载了热传导率。但是,由于热传导率是物质固有的值,因此在实际的热设计中需要考虑包括接触界面热阻在内的热阻抗。

热传导率不能转换为热阻抗。另外,热阻抗会根据界面上细微的凹凸状态而变化。实机评估和模拟对于使用TIM的热量控制是必不可少的。

TIM的类型和操作性

在量产中,为了使用TIM降低热阻抗,不仅需要热传导性能,还需要极力抑制封装TIM时的偏差,填充接合面的凹凸。为此,封装TIM时的操作性也很重要。在此介绍TIM的类型和操作性。

TIM的类型

TIM的类型如下表所示,需要根据使用情况区分使用。

TIM的类型 特点
导热硅脂
  • 历史最悠久
  • 可通过加压薄膜化,热阻较小
  • 难以均匀涂布
  • 存在泵出的可能
热传导片材(填隙料)
  • 形状/性能稳定
  • 重复使用性相对较高
  • 还能吸收高度差
  • 夹入填充可维持一定的距离,易保障绝缘性
  • 根据实际硬度,可能要使用较高的压缩力
导热凝胶
  • 适用于各类间隙(热源与散热器之间)
  • 压缩后几乎不会反弹变形,可充分发挥热传导性能
  • 可装入分注器进行填充
  • 存在泵出的可能
PCM
(Phase-Change Materials)
  • 设备的运行温度会使其软化,紧密贴合接合面
  • 热阻相对较小
导热胶带
  • 双面粘合胶带
  • 能够在贴合散热片的同时确保散热性能
高导热胶水
  • 能够在贴合部件的同时确保散热性能
  • 绝大多数情况下不能重复使用
焊锡
  • 无间隙,热阻极小
  • 必须采用回流焊技术

TIM的操作性

TIM根据产品类型具有不同的操作性。此外,如果由于封装TIM时的偏差导致气隙没有完全去除,则可能无法获得预期中与热传导率相应的热量控制效果。

例如,导热硅脂的优点是流动性高、薄膜化容易,但缺点是难以均匀涂布、操作性差。热传导片材适用于高度差较大的位置,重复使用性高,但由于硬度相对较高,如果压缩力不足,就无法获得热量控制效果。由此,TIM根据材料的不同,操作性也不同,从而对封装后的热量控制效果造成影响。

此外,TIM材料可能会发生因使用场所的热循环而泵出,或因连续使用而干涸的情况,因此在使用前必须进行包含操作性的评估。

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