匯為熱管理材料:導(dǎo)熱界面填充材料的熱阻特性知識
文章出處:eatinkc.com閱讀量: 發(fā)表時間:2021-06-08 11:45:29
導(dǎo)熱界面材料TIM,通常我們稱為導(dǎo)熱墊片,是為電子組件提供熱傳導(dǎo)途徑的重要材料。
這種導(dǎo)熱墊片通過潤濕和置換熱源和散熱器件表面的空氣間隙,與嚙合面上微小的凹凸契合。TIM 在嚙合面上的潤濕和傳熱程度由界面熱阻(也稱為“接觸熱阻”)來量化。這種契合度與導(dǎo)熱墊片的高導(dǎo)熱性相結(jié)合,可使熱量快速通過元件之間的物理間隙。量化這種整體傳熱數(shù)值就是熱阻。對于導(dǎo)熱系統(tǒng)設(shè)計人員來說,組件的熱阻值非常重要,他們必須確保設(shè)備產(chǎn)生的熱量能夠得到適當(dāng)?shù)纳l(fā),從而防止設(shè)備過熱。
應(yīng)用中導(dǎo)熱墊片TIM的熱阻(Rth)取決于以下三個因素:TIM 導(dǎo)熱系數(shù)(k)、應(yīng)用中的導(dǎo)熱墊片TIM厚度 (t) 以及兩個界面阻抗(Rint1 和 Rint2),這兩個阻抗由導(dǎo)熱墊片TIM與其兩個嚙合面接觸而產(chǎn)生。熱阻的控制等式等式如下:
Rth= (t/ k) + (Rint1 + Rint2)
(等式1)
一般來說,導(dǎo)熱墊片TIM的導(dǎo)熱系數(shù)是已知的。如果需要,也可以根據(jù) ASTM D5470 得出的熱阻與最終厚度關(guān)系圖來確定該系數(shù)。導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)這條線的反斜率計算得出,單位為W/mK。
導(dǎo)熱墊片的界面熱阻總和隨導(dǎo)熱墊片TIM和接觸面的性質(zhì)變化而變化,因此不能作為材料屬性提供。
然而,可以通過相同的熱阻和最終厚度關(guān)系圖上的y軸截距來確定待測系統(tǒng)的界面熱阻。如果材料的厚度為0,則該點即為材料的熱阻值,僅需要測量表面本身,從而將等式1簡化為Rth= (Rint1 + Rint2)。
應(yīng)用中導(dǎo)熱墊片TIM的最終厚度(t)是影響整體熱阻的主要因素,特別是對于那些中低熱導(dǎo)率材料。對于特定系統(tǒng),熱通道的材料熱阻與熱量傳遞的距離成正比。為了證明這一點,圖1展示了在給定3種材料的導(dǎo)熱系數(shù)k和界面電阻為0.97℃cm2/W 的情況下,最終厚度對總熱阻的影響。這說明,為了高效通過接觸界面?zhèn)鬟f熱量,必須在應(yīng)用中盡可能地減少導(dǎo)熱界面材料TIM的厚度。如果墊片的導(dǎo)熱系數(shù)Tc很低,這一點將尤其重要。
減少系統(tǒng)中導(dǎo)熱墊片的厚度需要在其表面上施加壓力,而這會導(dǎo)致發(fā)生形變運動。注意,導(dǎo)熱墊通常不具有真正的可壓縮性,要縮減z厚度,x,y維度上的體積肯定會等效增加。部分壓力會傳遞到導(dǎo)熱墊片下方的組件,在某些情況下,壓力會上升到不可接受的水平,甚至對系統(tǒng)的脆弱電子部件如芯片造成物理損壞。此外,電子器件的不斷小型化和電路板密度的提高推動了對TIM的需求,因為導(dǎo)熱墊片具有高導(dǎo)熱率,能夠更有效地散熱。在大多數(shù)情況下,需要通過更高的填充量來實現(xiàn),但這樣通常會導(dǎo)致墊片柔性降低,并在形變過程中產(chǎn)生較大的峰值壓力。出于這些原因,了解如何減小裝配過程中產(chǎn)生的峰值壓力就非常有必要。
這種導(dǎo)熱墊片通過潤濕和置換熱源和散熱器件表面的空氣間隙,與嚙合面上微小的凹凸契合。TIM 在嚙合面上的潤濕和傳熱程度由界面熱阻(也稱為“接觸熱阻”)來量化。這種契合度與導(dǎo)熱墊片的高導(dǎo)熱性相結(jié)合,可使熱量快速通過元件之間的物理間隙。量化這種整體傳熱數(shù)值就是熱阻。對于導(dǎo)熱系統(tǒng)設(shè)計人員來說,組件的熱阻值非常重要,他們必須確保設(shè)備產(chǎn)生的熱量能夠得到適當(dāng)?shù)纳l(fā),從而防止設(shè)備過熱。
應(yīng)用中導(dǎo)熱墊片TIM的熱阻(Rth)取決于以下三個因素:TIM 導(dǎo)熱系數(shù)(k)、應(yīng)用中的導(dǎo)熱墊片TIM厚度 (t) 以及兩個界面阻抗(Rint1 和 Rint2),這兩個阻抗由導(dǎo)熱墊片TIM與其兩個嚙合面接觸而產(chǎn)生。熱阻的控制等式等式如下:
Rth= (t/ k) + (Rint1 + Rint2)
(等式1)
一般來說,導(dǎo)熱墊片TIM的導(dǎo)熱系數(shù)是已知的。如果需要,也可以根據(jù) ASTM D5470 得出的熱阻與最終厚度關(guān)系圖來確定該系數(shù)。導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)這條線的反斜率計算得出,單位為W/mK。
導(dǎo)熱墊片的界面熱阻總和隨導(dǎo)熱墊片TIM和接觸面的性質(zhì)變化而變化,因此不能作為材料屬性提供。
然而,可以通過相同的熱阻和最終厚度關(guān)系圖上的y軸截距來確定待測系統(tǒng)的界面熱阻。如果材料的厚度為0,則該點即為材料的熱阻值,僅需要測量表面本身,從而將等式1簡化為Rth= (Rint1 + Rint2)。
應(yīng)用中導(dǎo)熱墊片TIM的最終厚度(t)是影響整體熱阻的主要因素,特別是對于那些中低熱導(dǎo)率材料。對于特定系統(tǒng),熱通道的材料熱阻與熱量傳遞的距離成正比。為了證明這一點,圖1展示了在給定3種材料的導(dǎo)熱系數(shù)k和界面電阻為0.97℃cm2/W 的情況下,最終厚度對總熱阻的影響。這說明,為了高效通過接觸界面?zhèn)鬟f熱量,必須在應(yīng)用中盡可能地減少導(dǎo)熱界面材料TIM的厚度。如果墊片的導(dǎo)熱系數(shù)Tc很低,這一點將尤其重要。
減少系統(tǒng)中導(dǎo)熱墊片的厚度需要在其表面上施加壓力,而這會導(dǎo)致發(fā)生形變運動。注意,導(dǎo)熱墊通常不具有真正的可壓縮性,要縮減z厚度,x,y維度上的體積肯定會等效增加。部分壓力會傳遞到導(dǎo)熱墊片下方的組件,在某些情況下,壓力會上升到不可接受的水平,甚至對系統(tǒng)的脆弱電子部件如芯片造成物理損壞。此外,電子器件的不斷小型化和電路板密度的提高推動了對TIM的需求,因為導(dǎo)熱墊片具有高導(dǎo)熱率,能夠更有效地散熱。在大多數(shù)情況下,需要通過更高的填充量來實現(xiàn),但這樣通常會導(dǎo)致墊片柔性降低,并在形變過程中產(chǎn)生較大的峰值壓力。出于這些原因,了解如何減小裝配過程中產(chǎn)生的峰值壓力就非常有必要。
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