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2020迎接“5G時代”!導熱界面材料的運用分析

來源:廣州市白云化工實業有限公司  作者:byonline  日期:2019-11-26
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  隨著移動網絡的發展,越來越多的電子設備接入到移動網絡中,新的服務和應用層出不窮。5G時代已經來臨,更高的頻率帶來更高的數據傳輸速度。網絡基站和天線陣列的數量成倍增長,但設計空間尺寸卻越來越小。設備產品的功能更加復雜和強大,功耗也隨之同步增長,元件使用過程中產生的熱能如不能及時從內部散發出去,溫度的升高會導致其運行速度減慢,壽命縮短。因此,如何有效地從產生更高溫度的元件中移走大量的熱,以確保器件足夠的工作和服務壽命,是5G電子設備熱管理面臨的嚴峻問題。

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  隨著移動網絡的發展,越來越多的電子設備接入到移動網絡中,新的服務和應用層出不窮。5G時代已經來臨,更高的頻率帶來更高的數據傳輸速度。網絡基站和天線陣列的數量成倍增長,但設計空間尺寸卻越來越小。設備產品的功能更加復雜和強大,功耗也隨之同步增長,元件使用過程中產生的熱能如不能及時從內部散發出去,溫度的升高會導致其運行速度減慢,壽命縮短。因此,如何有效地從產生更高溫度的元件中移走大量的熱,以確保器件足夠的工作和服務壽命,是5G電子設備熱管理面臨的嚴峻問題。

  這對用于通訊設備的導熱界面材料(Thermal Interface Materials,TIM)提出了更高的要求,也勢必將促進更多高性能材料的應用和發展。導熱界面材料是決定電子產品散熱效率高低的關鍵材料之一。

  金屬部件通過機械加工無法形成完全光滑的表面,其平整度取決于模具(詞條“模具”由行業大百科提供)精度,而且只能控制在有限的限度內。無論是同種材料還是兩種不同的材料,即使材料表面平整度很好或施加很大的扣合壓力,仍然無法達到緊密接觸。微處理器表面和熱沉底面存在著各種細小坑槽和起伏。這些表面瑕疵造成元器件和散熱片不能充分接觸,在界面間形成空隙。

圖1 元器件和散熱片之間的空隙

  從圖1可以看到,無導熱界面材料填充的兩接觸表面間的空隙中超過90%是空氣。空氣是熱的不良導體,會嚴重阻礙接觸界面的熱量傳遞,這些看似細微的空隙足以令散熱設施形同虛設。使用導熱界面材料的目的就是為了填充接觸面的空隙,降低接觸熱阻,提高傳熱效率。

  一般而言,導熱界面材料具有這些特性:1)低熱阻;2)高熱傳導性;3)可壓縮性及柔軟性;4)表面浸潤性;5)適當的粘性;6)對扣合壓力的敏感性高;7)容易使用及處理;8)可重復使用性;9)冷熱循環時穩定性好等。有機硅材料的自身特性非常適合用于導熱界面材料,但其自身的熱傳導率較低,因此需要添加熱傳導(詞條“傳導”由行業大百科提供)率較高的無機粉末或金屬粉末或來改善其熱傳導性能。

  導熱界面材料的傳熱效率主要是以熱阻來表征,它是導熱界面材料本身的熱阻抗及其與兩個接觸界面的接觸熱阻之和:

  其中,RTOT是導熱界面材料的熱阻抗,RC1和RC2分別是導熱界面材料與兩個接觸表面的熱阻抗,BLT是導熱界面材料的接合膠層厚度,亦即兩個接觸表面之間的空隙區域,KTIM則是導熱界面材料本身的熱傳導系數。可見,為了達到理想的熱傳導效果,應該最大限度地減小RTOT,這可以通過降低接合膠層厚度、降低接觸熱阻和提高導熱界面材料的導熱系數來實現。在實際的工藝環境下,這些參數會互相影響,針對特定的應用還涉及到材料之間的穩定性和匹配性問題,因此需要導熱界面材料的設計開發者進行深入的研究和試驗,才能實現導熱界面材料最佳的使用性能。

  導熱界面材料有多種產品形式:導熱膏、軟性導熱墊片、導熱相變材料、導熱凝膠、導熱泥、粘合劑和密封劑等等。每種材料都有不同的特性與優缺點,使用者在選擇時必須先確定材料的使用環境,如工作溫度范圍、元器件的發熱量、封裝設計、接觸材料的表面粗糙度、接觸間隙的大小、是否需要絕緣可靠性和使用壽命等等,然后再根據各種不同的熱界面材料的特性進行綜合考量。

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