散熱第一步是導(dǎo)熱

4008005758 · 發(fā)表于 2024-8-27 09:19:58

本期給大家?guī)淼氖?/font>關(guān)于導(dǎo)熱材料相關(guān)技術(shù)的研究內(nèi)容，希望對大家有幫助。

隨著電子產(chǎn)品，材料、結(jié)構(gòu)、空間尺寸等限制，功率密度越來越大，對發(fā)熱元器件的散熱帶來了挑戰(zhàn)，所以有很多更高效的解決方案被挖掘，諸如熱管、VC、葉脈冷泵系統(tǒng)等，能更快的將系統(tǒng)整體發(fā)熱量帶到外部。

根據(jù)整個(gè)散熱系統(tǒng)路徑，可以看出，最底層也是最基礎(chǔ)的一環(huán)，其實(shí)是在元器件的導(dǎo)熱部分，如果發(fā)熱元器件的發(fā)熱量不能有效的傳遞給散熱端，即使外部散熱能力再好，最終也會(huì)形成熱堆積，導(dǎo)致元器件過熱，影響其工作穩(wěn)定性，甚至縮短使用壽命。

所以，解決整體系統(tǒng)熱管理問題，除了要做整機(jī)熱設(shè)計(jì)，我們還需要做的是根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，比如空間尺寸限制、元器件功耗、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、emc等各維度的設(shè)計(jì)要求，來選擇合適的導(dǎo)熱方式，并進(jìn)行導(dǎo)熱材料的選型。

下面，以我之前做的一個(gè)新能源4KW非車載AC-DC充電機(jī)項(xiàng)目為例，給大家分析當(dāng)時(shí)的熱設(shè)計(jì)策略與材料選型依據(jù)。

4KW非車載AC-DC結(jié)構(gòu)外觀圖

項(xiàng)目背景

給某新能源廠設(shè)計(jì)的一款非車載ACDC充電機(jī)，效率92%左右，已量產(chǎn)。

下面就該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、熱管理、測試以及報(bào)告等多個(gè)方面，介紹完整的流程以及所使用的相關(guān)導(dǎo)熱材料等內(nèi)容。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外殼尺寸

內(nèi)部布局圖

外殼采用SECC鈑金件**，該設(shè)備在室內(nèi)使用，使用環(huán)境沒有之前的3KW 車載充電機(jī)那么惡劣，防護(hù)等級(jí)IP33，進(jìn)出風(fēng)口有過濾棉，結(jié)合百葉窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行防護(hù)，如下圖所示。

外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)

關(guān)于整機(jī)系統(tǒng)初始散熱方式、風(fēng)量評估的過程，本篇就不再追溯，大家感興趣的可以看之前的文章。（關(guān)于電子產(chǎn)品中風(fēng)扇應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)）

本項(xiàng)目主要發(fā)熱部件有芯片、功率管（MOS）、變壓器、整流橋、PCB板等，清單如下，

部分損耗清單（需要的可以按文章方式進(jìn)行領(lǐng)取）

由于空間尺寸限制，以及產(chǎn)品使用的環(huán)境條件等要求，我們選擇的導(dǎo)熱方式是在MOS管與散熱器直接加導(dǎo)熱硅脂、銅片。

剛性固體接觸面間會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的縫隙。可以用柔性的介質(zhì)填充這些縫隙，連接導(dǎo)熱路徑。這些柔性介質(zhì)就是導(dǎo)熱界面材料，包含導(dǎo)熱襯墊（thermal pad）、導(dǎo)熱硅脂（thermal grease）、導(dǎo)熱凝膠（thermal gel）等。

我們當(dāng)時(shí)對比了市面上的幾種導(dǎo)熱硅脂，通過樣品申請測試對比，最終選定了合肥傲琪電子的產(chǎn)品。

導(dǎo)熱硅脂是一種傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料，使用在發(fā)熱部件與散熱片之間達(dá)到良好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性，同時(shí)對銅、鋁散熱器表面具有一定的充分填充。非常適合于一般CPU、GPU及其它發(fā)熱功率器件的界面導(dǎo)熱。

合肥傲琪的導(dǎo)熱硅脂優(yōu)勢

n 硅脂由于粘度較低，能充分填充接觸表面從而使界面熱阻更低，所以能在最快的時(shí)間內(nèi)將熱量傳遞到散熱裝置界面，傳熱效率高。

n 涂抹于功率器件和散熱器裝配面，幫助消除接觸面的空氣間隙增大熱量流通，減小接觸熱阻，降低功率器件的工作溫度，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的使用壽命。

n 產(chǎn)品型號(hào)有多種規(guī)格可選擇（導(dǎo)熱系數(shù)1.0~5.0W/m.K）。

n 性價(jià)比高（詢價(jià)、免費(fèi)**樣品申請：18656456291，微信同號(hào)）

合肥傲琪電子的導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠片還應(yīng)用于對芯片、主板、功率管（MOS）、變壓器、模塊、PCB板、鋁基板、南橋、北橋、CPU、GPU、處理器、單片機(jī)等發(fā)熱元器件的導(dǎo)熱、散熱解決方案。

涉及領(lǐng)域包含智能手機(jī)、便捷電子設(shè)備、充電器、網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)、機(jī)頂盒、投影儀、電腦、筆記本、平板、LED照明、新能源汽車、無人機(jī)、電源、行車記錄儀、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、安防**、5G基站、智能電視、雷達(dá)、軍工電源、智能裝備等通電、帶電設(shè)備。

導(dǎo)熱硅脂使用還需要注意熱源面與散熱端的安裝方式、鎖附機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，

在此項(xiàng)目中，MOS管金屬面涂抹導(dǎo)熱硅脂，與散熱器接觸，用螺絲鎖附，如下圖所示，

MOS管鎖附在散熱器側(cè)面

需保證平行度、接觸面平面度等，最直接的檢測方法，可參考下面文章。（熱潤滑脂長期使用的可靠性分析）

導(dǎo)熱硅脂熱涌出和干化情況

導(dǎo)熱界面材料所受的壓力越大，材料的熱阻越低，導(dǎo)熱效果越好。但芯片的應(yīng)力承受范圍有限，過大應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片壓壞。芯片如果允許，盡可能采用大應(yīng)力。

G-500、G-300的導(dǎo)熱硅脂經(jīng)過筆記本CPU實(shí)測的前后效果對比，如下圖所示，

從圖上前后對比可以看出，其導(dǎo)熱硅脂在CPU與冷端面之間接觸、導(dǎo)熱的效果很好，究其原因，我們可以通過這兩款導(dǎo)熱硅脂的可靠性測試數(shù)據(jù)，如下圖所示，

可以看出，G-300/G-500的最小界面厚度可達(dá)到7μm、25μm，熱阻低至0.016和0.009。

另外，導(dǎo)熱界面材料所受的壓力越大，材料的熱阻越低，導(dǎo)熱效果越好。但芯片的應(yīng)力承受范圍有限，過大應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片壓壞。芯片如果允許，盡可能采用大應(yīng)力。

熱阻-壓力曲線

芯片特別不耐壓時(shí)，考慮更軟的材料，避免由于壓力過小導(dǎo)致界面間縫隙填充不嚴(yán)密。

之前的文章給大家分享過一些關(guān)于新能源車載3KW的AC-DC充電機(jī)的內(nèi)容（新能源車載系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)（IP67可靠性改良方法））

里面有就用到導(dǎo)熱硅膠片，如下圖所示，

導(dǎo)熱硅膠片應(yīng)用圖

我們來說說采用此導(dǎo)熱方式的原因。

此產(chǎn)品是車載、而且整機(jī)空間尺寸受限，功率密度比較適中，采用自然冷卻散熱的方式，MOS管外殼與PCB接觸，金屬面面向散熱器。

這樣設(shè)計(jì)的目的是減少路徑上的熱阻，盡可能發(fā)揮散熱器的性能。

那么勢必帶來兩個(gè)問題：

n 絕緣要求，需要解決hipot、EMC等的問題。

n 接觸良性，對導(dǎo)熱影響

導(dǎo)熱硅膠片/導(dǎo)熱墊（無硅油）可以完美解決這些問題。

導(dǎo)熱硅膠片一款超柔軟（類似餃子皮）的高導(dǎo)熱性能的材料（導(dǎo)熱系數(shù)1.5~18W/m.K），在低壓力的情況下表現(xiàn)出較小的熱阻和很高的形變量（壓縮比15~30%），擁有非常好的填縫性能，推薦使用在公差比較大的平面。另外具有雙面低粘性，不需要額外的阻礙導(dǎo)熱的粘膠涂層亦可背膠處理，強(qiáng)粘性粘接。

通過多方調(diào)研與樣品申請測試試用后，最終選定合肥傲琪的導(dǎo)熱硅膠片。

其優(yōu)勢在于，

1. 性能

n 與電子組件裝配使用時(shí)，低壓縮力下表現(xiàn)出較低的熱阻和較好的電氣絕緣特性，擊穿電壓(>3kv/mm)。在-40℃~200℃可以穩(wěn)定工作,滿足UL94V0的阻燃等級(jí)要求。

n 厚度選擇（0.3/0.5mm、1.0mm每0.5mm遞增至12mm，適合不同發(fā)熱元器件與外殼間隙填充。

n 無硅油款適合對硅油敏感的電子產(chǎn)品（帶有攝像頭解決霧化現(xiàn)象）。

n 導(dǎo)熱墊能夠填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位的熱傳遞,增加導(dǎo)熱面積,同時(shí)還起到減震、絕緣、密封等作用,能夠滿足設(shè)備小型化、超薄化的設(shè)計(jì)要求,是極具工藝性和使用性的新材料。

2. 定制化服務(wù)

特殊厚度可以按照要求定制，標(biāo)準(zhǔn)長寬400*200mm，按照需求尺寸定制特殊形狀CAD圖紙刀模模切**）。

n 性價(jià)比高（詢價(jià)、免費(fèi)**樣品申請：18656456291，微信同號(hào)）

測試驗(yàn)證

接下來我們看看基于Flotherm軟件模擬，與實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果情況。

仿真模擬元器件偵測位置

仿真模擬元器件偵測溫度

仿真流場云圖

可以看出，仿真的各元器件結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，兩個(gè)電感溫度有些超標(biāo)，分析原因，可能是風(fēng)道設(shè)計(jì)問題，到兩個(gè)電感區(qū)域的有效風(fēng)較少，沒有及時(shí)將熱量帶走導(dǎo)致。

后續(xù)的版本我們做了一些優(yōu)化，篇幅受限，這里就不做詳細(xì)介紹，感興趣的可以下載模型后自行研究。

在仿真后期，打樣**成品之后，我們對實(shí)物做了溫升測試，測試數(shù)據(jù)如下表所示，

試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

可以看出，此版本的仿真、實(shí)測的結(jié)果都反饋出少數(shù)部分元器件溫升有問題，這也給我們整機(jī)熱管理改善、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化**了方向指引。

無論結(jié)果如何，我們都需要將獲取的原始數(shù)據(jù)，整理成易懂的報(bào)告，以圖片、表格等形式進(jìn)行匯報(bào)，方便項(xiàng)目干系人及時(shí)、明確的知曉項(xiàng)目進(jìn)展、潛在的風(fēng)險(xiǎn)等。

熱設(shè)計(jì)報(bào)告

優(yōu)秀的工程師，除了技術(shù)過硬，向上匯報(bào)的能力也必須具備，這是軟實(shí)力的體現(xiàn)，下面是該項(xiàng)目的報(bào)告內(nèi)容，截取部分，大家感興趣可查閱之前的文章（如何向上匯報(bào)：專業(yè)的熱設(shè)計(jì)報(bào)告）。