本文章你将了解到常见的导热介质包括导热介质的基本概念、使用注意事项、安装注意事项、使用方法、选型和常见的导热介质产品等预计阅读时间17min。1导热介质的分类散热器与开关管表面并不平整接触存在空气间隙热阻较大。导热介质的作用在于填充微小间隙降低接触热阻导热介质种类繁多在电力电子领域常用的有以下几种导热硅脂、导热垫、导热胶、导热绝缘陶瓷片、相变导热膜和石墨烯导热材料等。2导热硅脂2.1 导热硅脂的基本概念硅脂(silicone grease)有时称为介电润滑脂是一种由硅油与增稠剂组合而成的防水润滑脂。导热硅脂通常由硅脂基底以及添加的导热填料(如氧化锌、氧化铝、氮化硼颗粒等)组成。导热硅脂一般颜色是白色和灰色一般导热系数2.0W/(m*K)以下的呈白色2.0W/(m*K)以上的呈灰色。导热硅脂是常见的导热界面材料维修方便、价格便宜适合用于大功率散热。2.2 使用注意事项(1) 硅脂在使用时会有硅油渗出造成硅油污染不适合周围有裸露触点的继电器的场合(2) 导热硅脂本身是绝缘介质但由于层薄不能直接用于需要绝缘场合如开关管与散热器间不能直接用导热硅脂连接需要加绝缘层(3) 导热硅脂使用久后硅油挥发变干形成缝隙导热效果下降一般建议两年换一次。2.3 安装注意事项导热硅脂的热阻与厚度近似呈线性关系对组装压力不敏感一般来说厚度控制在0.05~0.15mm组装压力5psi少量变换器调试可用预置式扭矩起子对组装压力进行控制。2.4 使用方法硅脂使用前需要用干净岁棉布沾酒精先将器件于散热器表面擦洗干净可采用钢片等印刷工具将硅脂印刷在器件或散热器上。2.5 导热硅脂的固化随着时间推移导热硅脂越容易产生固化甚至开裂现象导致散热性能变差这与硅脂的油离度和挥发份有关在选型时应特别注意。2.6导热硅脂的选型导热硅脂的选型应注意以下参数(1) 导热系数越高传热性能越好一般在2.0~6.0W/(m*K)之间(2)油离度是指产品在200℃下保持24小时后硅油析出量是评价产品耐热性和稳定性的指标 (3)挥发份是用ASTME595方法在200℃试验24小时挥发份值是指所失去的份数占总原质量的比 (4)挥发份和油离度越大随着时间推移导热硅脂越容易产生固化导致散热性能变差 (5) 常规硅脂本身是绝缘介质但由于层薄不能直接用于需要绝缘场合需要加绝缘层。硅脂中增加银等金属颗粒可极大提高导热性能但其绝缘性能较差。开关管散热要求硅脂必须绝缘电脑CPU一般选用带金属颗粒的硅脂应用实例展示了导电硅脂应用于开关管散热的失败案例。TAICA公司DP系列导热硅脂2.7 常见的导热硅脂品牌国外品牌贝格斯、莱尔德、TAICA、道康宁、日本电气化学、富士高分子、固美丽、信越等;国内品牌兆科、汐佳、傲川、博恩、亚锋、博恩、奥德康、高柏、瓒鸿、佳日丰、依美等。下面是经华为认证合格的导热硅脂3导热垫3.1 导热垫的基本概念:导热垫(thermal conductive gap pad)主要用于半导体与散热器间隙大、表面粗糙度大场合由于导热垫的弹性导热垫能减震防止冲击方便安装和拆卸。3.2 安装注意事项:一般来说压力(5~100psi)越大导热垫硬度越低压缩量越大热阻越小导热性能越好安装时应保证导热垫受力均匀。3.3 使用方法与注意事项十分类似于手机贴膜。1.清洁保持电子部件与导热垫片相互接触面的干净清洁避免电子部件表面存在污物接触面存在任何污渍都会导致导热垫片自粘性和密封导热性会变差。2.拿起时受力均匀去拿导热垫片时面积大的应该从中间部位拿起因为大块的导热垫片如果从边缘部位拿起容易受力不平均导致导热垫片变形影响后续操作甚至会损坏硅胶片。面积较小的片材不作要求。3.撕一面保护膜左手拎着导热垫片右手撕去其中一面保护膜。使用时要牢记不能同时撕去两面保护膜尽量减少直接接触导热垫片的次数和面积以保持导热垫片自粘性及导热性不至于受损。4.放导热垫撕去保护膜后先对齐散热器朝向要粘贴的电子部件缓慢放下导热垫片并使用平整的胶片从左往右进行推挤避免中间气泡的产生。5.挤气泡操作过程中如果产生了气泡可拉起导热垫片一端重复上述步骤或借用硬塑胶片轻轻抹去气泡力量不能过大以免导热垫片受到损害。6.撕另一面保护膜撕去另一面保护膜再对齐放入散热器撕保护膜的时候力度要小避免拉伤或导致有气泡产生。7.施加压力固定导热垫片贴好后对散热器施加一定的压力并存放一段时间以保证导热垫片固定好。3.4 选型导热垫的选型应注以下参数(1) 在安装时施加的压力固定导热系数(几W/(m*K))越高硬度越小热阻越小导热性能越好; (2) 击穿电压和体积电阻率反映了导热垫的绝缘性能根据开关管的实际工作电压进行选取即可; (3) 厚度可根据开关管与散热器的安装方式结合考虑一般在0~10mm间; (4) 不推荐几层导热垫堆叠使用产生的缝隙会降低导热性能。TAICA公司COH系列导热垫华为认证的导热垫4导热胶4.1 导热胶的基本概念导热胶(Thermal Conductive Adhesive)主要由胶粘剂与导热颗粒组成施加前是膏状混合物施加后在一定的时间和条件下分子交连、固化。常见的导热胶按照胶体类型可分为环氧树脂系、丙烯酸系、有机硅系。按照组份分单组份、双组份。按照功能有灌封胶、导热粘结剂和导热凝胶等。4.2 导热粘接作用导热粘结胶主要作用为导热、粘接、阻燃、防潮、防震、绝缘。具有较快的表干和固化速度阻燃等级达到UL94V-0级起到粘接密封作用的同时还具有良好的导热散热性。可与金属、陶瓷、玻璃、塑料及其合金等大多数材质牢固粘接固化后无腐蚀使用方便。如下图红框所示为固定开关管将开关管通过导热胶与导热材料粘接如黄框所示为使得开关管引脚间散热均匀保证其绝缘性将管脚间通过导热胶密封粘结。例如华为目前生产使用的就是丙烯酸系导热胶Loctite315。4.3 灌封作用电子导热灌封胶主要用于电子元器件的粘接密封灌封和涂覆保护。灌封胶在未固化前属于液体状具有流动性胶液黏度根据产品的材质、性能、生产工艺的不同而有所区别。灌封胶完全固化后才能实现它的使用价值固化后可以起到防水防潮、防尘、绝缘、导热、保密、防腐蚀、耐温、防震的作用。从材质类型来分目前使用最多最常见的主要为4种即主要有有机硅灌封胶、聚氨酯灌封胶、环氧树脂胶灌封胶、LED灌封胶。有机硅灌封胶是一种高活性吸附材料属非晶态物质。硅胶主要成分是二氧化硅化学性质稳定不燃烧。优缺点化学性质稳定耐高低温性(-40~200℃)。电气性能和绝缘能力极好一般的硅橡胶粘结性能稍差拉伸强度和剪切强度等机械性能较差在常温下其物理机械性能不及大多数合成橡胶且一般的硅橡胶耐油、耐溶剂性能欠佳。应用场合适用于电子配件导热、绝缘、防水及阻燃其阻燃性要达到UL94-V0级。可以应用于PC(Poly-carbonate)、PP、ABS、PVC等材料及金属类的表面。聚氨酯(PU)灌封胶氨酯灌封胶由聚酯、聚醚等低聚物多元醇与多异氰酸酯以二元醇或者二元胺为扩链剂通过逐步聚合制备而成。优点耐低温性能好硬度范围广(shore A10~shore D 80)粘接性适中防震防水高透明。优良的电绝缘性和耐燃性无腐蚀环保。缺点耐温低(100℃)耐碱性差气泡多一定要真空浇注。应用场合一般应用于发热量不高的电子元器件的灌封。压器、抗流圈、转换器、电容器、线圈、电感器、变阻器、线形发动机、固定转子、电路板、LED、 泵等。环氧树脂灌封胶以环氧树脂为主要成份添加各类功能性助剂配合合适的固化剂制作的一类环氧树脂液体封装或灌封材料。固化后多为硬性也有少部分软性。优点粘接力好硬度高绝缘性能好耐腐蚀性(酸、碱、盐、溶剂)及介电性能好,耐温120℃左右。缺点导热性能差抗冷热变化能力弱受到冷热冲击后容易产生裂缝导致水汽从裂缝中渗人到电子元器件内防潮能力差; 固化后胶体硬度较高且较脆较高的机械应力易拉伤电子元器件。环氧树脂经灌封固化后由于较高的硬度无法打开为终身产品。应用场合一般用于LED、压器调节器、工业电子、继电器、控制器、电源模块等非精密电子器件的灌封。LED灌封胶LED封装材料高折射率和高透光率较好的耐久性和可靠性适合灌封及模压成型。主要应用于LED灯饰、LED护栏灯的灌封。几种灌封胶对比4.4导热胶选型导热胶水的选型应注意以下参数以施奈仕公司的CC1006有机硅灌封胶为例其适用于PC(Poly-carbonate)、PP、ABS、PVC等材料及金属类的表面。导热系数为2.0W/m.K是导热性能较好的有机硅胶工作温度-50~200℃满足常规的工作温度要求。阻燃等级符合UL94 V-0采用AB组分1比1混合而来混合后硬度为shore A 50~60。在A和B组成混合过程中应特别注意(1)混合后真空排泡5~10min;(2)固化时的温度要求。CC1006有机硅灌封胶其导热系数为2W/m.K硬度shoreA 50~60CC1004有机灌封胶导热系数为3W/m.K硬度shoreA 25~30导热系数越高其硬度越小越软。对于实际灌封后的产品可用绝缘摇表检测其绝缘性能。5邵氏(肖氏)硬度邵氏硬度又称为肖氏硬度简称HS。表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔在1907年首先提出。应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥尖端上常镶有金刚钻。测试数值为1000x撞销返回速度/撞销初始速度即为碰撞前后的速度比乘以1000。单位为“度”。6导热绝缘陶瓷片6.1 陶瓷材料认识陶瓷材料的成本和生产耗能较高仅次于金刚石但陶瓷材料的卓越性能使其广泛应用。6.2 陶瓷材料分类常见的陶瓷材料有四种氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和玻璃陶瓷。6.3 导热绝缘陶瓷片在众多陶瓷材料中氧化铝陶瓷片(ceramic wafer)和氮化铝陶瓷片具有的电绝缘性能和较低的介电损耗是目前常用的导热绝缘陶瓷片。6.4 氧化铝陶瓷片概述氧化铝陶瓷片是以Al2O3ZrO2为主要原料以稀有金属氧化物为溶剂经一千多度高温焙烧而成的特种陶瓷片具有高熔点、高硬度、优良耐磨性能。氧化铝陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种。6.5 氮化铝陶瓷片概述氮化铝陶瓷片是以氮化铝(AlN)为主晶相的陶瓷AlN晶体以[AlN4]四面体为结构单元共价键化合物具有纤锌矿型结构属六方晶系。化学组成Al 65.81%N 34.19%比重3.261g/cm3,白色或灰白色单晶无色透明常压下升华分解温度为2450℃。热导率达260 W/m.K比氧化铝高5~8倍耐热冲击好能耐2200℃的极热。但AlN的高温抗氧化性差在大气中易吸潮、水解。6.6 使用方法与注意事项1.清洁将陶瓷片、开关管和散热器用酒精擦拭2.开关管表面涂抹硅脂均匀尽量薄3.陶瓷片按压在开关管上均匀按压一定要排除空气气泡4.散热器涂抹硅脂均匀尽量薄5.安装固定焊接与固定开关管。6.7 陶瓷片选型陶瓷片的选型应注意以下参数(1) AlN陶瓷片导热系数是Al2O3陶瓷片的5倍左右但AlN的高温抗氧化性差在大气中易吸潮、水解; (2) 因此应根据应用场合选取陶瓷片类型对于散热量较小的场合选取Al2O3陶瓷片便可满足要求; (3) 陶瓷片的尺寸取决于开关管的尺寸与安装方式对于传统用螺丝固定的安装方式选用与开关管同名的陶瓷片尺寸即可如TO247其陶瓷片上有孔来方便螺丝穿过; (4) 对于用压条压接的固定方式可选用TO247无孔陶瓷片; (5) 厚度的选择应该在散热、抗弯抗压抗冲击、绝缘与安装间均衡考虑; (6) 对于击穿电压和工作温度陶瓷片一般均能满足要求。北龙电子陶瓷片材质参数7相变导热膜(PCM)7.1 相变导热材料的基本概念导热相变化材料(phase change material, PCM)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变化材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。7.2 相变导热材料的特点具有一定相变温度一般在40到70度间使用时需要机械固定一般需要5~20psi的界面压力热阻最低可达0.01℃*in2/W适合用于大功率器件的界面导热材料厚度一般在3~5mil之间可分为绝缘型与非绝缘型两种。7.3 相变导热材料的优缺点可根据安装环境制备成合适的尺寸便于安装效率和利用率高组装成本低多为石蜡及其改性材料环保无污染满足环护要求具有较低的热阻、相变特性、触变性、优良的湿润性厚度一定热阻可控性好。但其无粘结作用、需机械固持使用过程发生相变方能很好润湿界面。7.4 PCM与其它导热介质对比随着时间增加导热硅脂和导热垫片可能会老化和开裂从而导致导热性能下降相变导热材料的最大优点在于可靠性高有长达15年的可靠性且一致性好安装简单。7.5 相变导热膜的使用方法7.6 选型相变导热膜的选型应注意以下参数下面为一些常见的绝缘与非绝缘型相变膜8石墨烯导热材料(PGS)8.1 石墨烯导热材料的基本概念“PGSPyrolytic Graphite Sheet”是一种非常薄的热界面材料由合成材料制成具有高导热性由高取向石墨聚合物薄膜制成。它非常适合在有限空间内提供热管理/散热或在常规方式之外提供补充散热。这种材料很灵活可以切割成可定制的形状。“SSMSemi-Sealing Material”是由PGS石墨板和高导热弹性体树脂复合而成的产品。它具有树脂吸热和利用PGS石墨板的高导热性释放热量的功能。它还可以更好地连接到电子板上不同高度的组件上减少电子板上的应力。8.2 PGS的特点● 优异的导热性700至1950 W/(m·K)(是铜的2至5倍是铝的3至8倍)● 重量轻0.85至2.13 g/cm3(铜的1/4~1/10铝的1/1.3~1/3密度)● 灵活易于切割或修剪。可承受反复弯曲● 高介电电压17 kVac/mmSSM,添加丙烯酸绝缘层后8.3 PGS导热的方向不等性石墨烯材料在xy方向导热一骑绝尘导热系数可达可达上千W/m.K导热系数是铜的2~5倍密度只有铜的1/10~1/4。可惜的是其在z方向导热性能一般热系数只有几十W/m.K为应用于绝缘场合需要添加丙烯酸层用于绝缘这会进一步降低z方向的热阻。9导热介质的热阻计算一般导热材料均会给出导热系数λ单位为W/(m.K)根据导热系数λ、导热材料的导热面积A和导热材料的厚度δ即可计算出导热界面的热阻R如计算0.5mm厚20mm×30mm的氮化铝陶瓷片热阻导热系数为176W/(m·K)认为陶瓷片全部面积参与散热陶瓷片热阻为R0.5e-3/(176·20 e-3·30e-3)0.0047°C/W。10应用实例有些导热硅脂里面掺杂了银等金属颗粒导热性能极好导热系数可达到几十经常用于电脑CPU散热但其绝缘性能较差。下面为炸管实例开关管经硅脂(信越7921)与相变导热膜(Tgard K52)连接至散热器。上主电后驱动保护掉电测量母线短路拆下散热器发现导热膜孔处有电压击穿产生的氧化物。用于填充开关管与导热膜的硅脂经螺孔渗到散热器上开关管背面漏极经硅脂、散热器、硅脂连接到下管产生短路。对此进行验证将两铜条分别夹压在导热膜两侧耐压测试仪显示3kV耐压正常。两铜条间隙1mm挤入硅脂1kV便产生击穿。总结本节介绍了几种常见的导热介质导热硅脂、导热垫、导热胶、导热绝缘陶瓷片、相变导热膜和石墨烯导热材料详细阐述了使用安装选型注意事项并给出了热阻计算和应用实例。