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面对导热垫片种类如此繁多-达人支招如何选择

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发表时间:2018-03-14 16:20来源:胶同学

  导热垫片是填充发热器件和散热片或金属底座之间的空气间隙,它们的柔性、弹性特征使其能够用于覆盖非常不平整的表面。热量从分离器件或整个PCB传导到金属外壳或扩散板上,从而能提高发热电子组件的效率和使用寿命。目前市场存在最多是我们常说的导热硅胶垫片。


  在垫片的使用中,压力和温度二者是相互制约的,随着温度的升高,在设备运转一段时间后,垫片材料发生软化、蠕变、应力松弛现象,机械强度也会下降,密封的压力降低。


  ·应用


  散热器底部或框架


  高速硬盘驱动器


  RDRAM内存模块


  微型热管散热器


  汽车发动机控制装置


  通讯硬件便携式电子装置


  半导体自动试验设备


  那么,如何在众多规格中找到合适的导热垫片呢?


  一、基体的选择


  导热垫片常见的有三种高分子材料作为基体,有机硅、聚氨酯和丙烯酸树脂。后两张一般也称为无硅导热垫片。


  有机硅导热垫片继承了有机硅材料的特性,是应用最广的一类导热垫片,但有一个缺点是硅油析出,在一些场合(比如光学设备、硬盘等)无法使用。


  无硅的垫片的主要优点是无硅油析出,缺点也很明显,包括耐温性稍差,硬度偏大等。


  二、导热率的选择


  该选用何种导热率的垫片,则需要结合使用的应用环境和要求来决定。首先是看元件的发热量,其次是设计间隙厚度、期望降低的温度和传热面积。根据这些就根据傅里叶方程估算出面积热阻,再根据不同导热率垫片的厚度热阻曲线就可以决定需要的产品。


面积热阻.png


  厚度Vs热阻曲线是选择导热系数的好助手,两者基本呈线性关系,斜率是该垫片的导热系数的倒数。


  举个例子,某电源功率为5W,芯片和外壳间隙约为2mm,希望芯片温度能在70℃以下,外壳温度低于50℃,芯片大小为1in2。


  面积热阻I=△T*A/Q=6℃*in2/W


  说明使用的导热垫片的面积热阻必须小于6℃*in2/W,在结合曲线,2mm对应的热阻约为2.8℃*in2/W,说明该1.5W/mK的到垫片是完全满足要求的。


  三、结构的选择


常见导热垫片的结构类型.png

  三种结构类型的导热垫片各有优缺,都有其独特之处。一般来说,加入增强材料后会提升物理强度,但是会牺牲一些导热性能。如果规格比较大,对于厚的产品影响不大,但对于薄(<1mm)的产品则有一定的影响,无增强材料的垫片都会发生伸长等情况,严重的会发生破裂,而加入增强材料的垫片强度大,不会发生尺寸变化。矽胶布在表面的垫片则具有耐刺穿和更好的电绝缘性。


  四、厚度的选择


  垫片的厚度一般需要根据设计的间隙宽度来选择,推荐压缩20-50%厚度后接近间隙厚度的规格。比如间隙厚度为1.5mm,则可推荐2.0mm的产品,因为2.0的产品压缩25%后和间隙厚度一致。这个厚度的产品既可以保证填满间隙,有不至于产生过大的应力。下图为某款导热垫的压缩率曲线,从图中可以大概了解某一压缩率下瞬间压缩应力的大小,一个好消息是维持该压缩率的应力则远小于瞬间压缩应力。


压缩率vs圧力曲线.png


  产品的硬度对压缩性能影响很大,在物理强度保证的前提下,建议优先选择低硬度的产品。除了应力更小的原因,低硬度的垫片界面亲和性也更好,界面热阻更低。


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