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改善冷却大功率电子产品的散热界面材料
  2022-04-26      37

电子产品时代初期,从最初使用热发光真空管来接收、传送数据位,热量管理一直是电子领域的重要问题。虽然晶体管和集成电路有效解决了这一基本问题,但集成密度的增加导致了热量的集中,而电路工作频率的上升又加剧了这一问题。随着电子技术的不断发展,改进的半导体设计使电子产品可以在较低的电压下工作(意味着需要的能量也有所减少),芯片级的发热问题得到了一定程度缓解。尽管如此,热量管理难题仍继续困扰电子产品开发者。此外,越来越密集的异构集成解决方案的引入,在可预见的未来,散热仍然是需要解决的问题。热量工程师一直都清楚热能最终一定要“排回到空气中”,重要的是这个排放过程一定要足够高效。目前,系统散热的3种基本方式分为导热、对流传热及辐射散热;其中,最高效的方式是导热。

PCB制造过程中,特别是那些大功率应用中的电路,PCB本身就是用来散热的潜在途径。但在选材上要极为慎重,要确保适用于传统的制造方式,这就即要求选用的材料不仅必须能散热,还必须具备较强的电气绝缘属性,这点对于印制电路设计师开发产品而言是至关重要的属性。Aismalibar一直以来都专注于PCB的选材,并研发了一系列专用于印制电路的新型散热界面材料(thermal interfaceμmaterial ,简称TIM)。Aismalibar研发的特有材料具有高达3.2W/mK的热导率(根据ASTM D5470测试得出)和6 KV AC的强绝缘属性。相比之下,标称层压板材料的热导率是0.25 W/mK。

大功率电子产品热量管理链路的概念模型

大功率电子产品组件设计会利用散热界面材料促进传导和消散PCB上有源和无源功率元件产生的热量,其方式是将热量通过冷却链有效传导到下游冷却元件上,例如散热器、散热管或冷却风扇。这样做的最终目标是确保元件不会达到制造商规定的最高温度。

除了能实现较高的热导率,TIM还要具备适当的电气绝缘属性;在高压环境下(例如现代电动汽车),电气绝缘属性变得越来越重要。TIM的导热率和电气绝缘性能越均衡,整个大功率电子产品组件在其寿命周期中能达到的性能和可靠性就越高(图1)。

图1:通常利用始于集成电路芯片的一系列材料或产热电子功率元件或组件来实现热量管理。散热界面材料在促进热量交换过程中起着关键作用。

散热界面材料解决方案

最近的一项关键研发成果也巩固了Aismalibar提出的新TIM概念,Aismalibar将这项新型涂覆技术称为“气隙填料”。这种材料除导热和绝缘属性非常强外,还可以避免使用复杂、凌乱的TIM热膏涂布过程。

气隙填料产品的关键目标是消除空洞,否则就会出现如图2所示的界面“过热点”。

图2:使用新型“气隙填料”后,可以减少电子元件交界面上小型空洞或微气囊的出现,也无需再使用专用的散热元件,特别是那些很难涂敷均匀的散热膏。空气的导热效果较差,所以必须要避免空洞的出现,这样才不会出现过热点,有效防止过热点对元件的热损伤和系统失效。

这款新型气隙填料在室温下不具备黏着力,低温条件下(~40°C)才开始出现聚合反应,操作起来十分方便。该材料无黏性,不需要使用可剥离的垫圈,可以有效避免浪费,简化了产品的使用。气隙填料没有经过编织玻纤增强,所以能更有效地全面填补交界面间的空隙,且接触面的机械压力非常微小,能够让两个界面安全有效地黏合到一起,操作起来非常简便。装配过程中,低温黏合的方式让电力组件冷却链上的组成元件之间形成持久、稳固的黏合。此外,Aismalibar还研发了自黏式TIM材料,含有新型黏合剂,并且结合使用涂覆了一层薄电气绝缘层(Isolcopper)的高导热铜箔,性价比高。这类价格实惠的自黏式导热铜箔是一系列新型TIM方案中性价比较高的涂层方案,能够有效简化热量管理。

目前的热量管理解决方案基于增强性介电聚合界面材料,设计用于在正常和高Tg(通过降低CTE可达180℃)下的高介电隔离和低热阻配方。产品实际上是一层薄介质层,具有较强的绝缘特性和热导率,通过以玻纤为基础、添加矿物填加剂的方式实现低热阻。产品的热导率可达2.2W/mK,介质强度大于4KV(介质层厚度为70 μm)或6KV(介质层厚度为100μm),热阻Rth低至0.315 Kcm2/W(介质层厚度为70μm)或0.45 Kcm2/W(介质层厚度为100μm),可有效地将大功率元件产生的热量消散至冷却元件上。对于很多应用而言,比较重要的是该产品不含硅,能轻松适配自动化贴装设备。

Aismalibar旗下产品中的一员大将就是Isolcopper——薄铜层(厚度在35~80μm之间),覆有填充了高端矿物成分的超薄介质层。该产品既具备铜的绝佳散热性能,而且含有特殊研发的介质涂层,可在需要的时候发挥出铜的导热特性及电气绝缘特性。

所有材料都能单面或双面涂敷气隙填料,这样做非常有利于消除气隙和空洞。公司还研发了散热胶带,最厚可以达到100μm,用途广泛、操作便捷,可以用于特殊应用或维修。所有产品都通过了UL V0评级,可随意修剪或改造成理想形状、尺寸。

图3:目前出现的众多散热问题需要不同的散热界面材料解决方案

选择方案时应考量的因素

从PV逆变器和风力发电控制装置中的功率组件,到电子控制的机械传输、AC/DC转换器,以及大功率LED工业照明系统,电子产品的功率越来越大、产品范围越来越广,每种应用都需要不同的方案来确保电子产品的散热过程高效、迅速、成本效益高。合理的热量管理概念可以延长电子品元件的使用寿命,进而改善终端产品的性能,提高终端产品的质量。

为特定应用选热线符合最合适的TIM时应该考虑的关键因素包括最基本的热导率或热阻,以及所用材料的电气绝缘属性;为了确保维持在X-Y平面和纵向Z轴上的热导率,还应考虑不同材料的膨胀系数,以及在使用时如何控制并减缓热能引起的意外机械应力。图3所示是Aismaliba研发的TIM产品系列的剖面结构图。

总结

我们日常生活用到的各类产品中,电子产品越来越多,这种趋势在近期不会减弱。管理由这些产品产生的热量以预防早期失效,也变得越来越重要。TIM技术已经被证实为有效的技术,如今,全球很多用户已经在PV逆变器的功率组件、风力发电控制器、电子传动装置、AC/DC转换器和以大功率LED技术为基础的工业照明系统中采用TIM技术。目前在电动汽车(electric vehicle,简称EV)的传动系统、汽车充电装置(车载充电器)和迅速发展的外部快充基础设施中也能看到很多TIM应用。

本文介绍的解决方案已经验证,且可商用。这类方案可解决包括需要高介电强度在内的散热难题。Aismalibar的产品非常适合满足行业对此类热量管理解决方案日益增长的需求,有助于缓解或消除电子行业功率密度持续攀升所面临的散热挑战。

Jeff Brandman任Aismalibar North America公司总裁。

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