如何为紧凑型电子设备选择合适的热接口

电子包装密度的增加带来了对精确热管理的需求。因此，对于电气工程师来说，选择热界面材料（TIM）是影响高功率CPU、GPU和功率转换器可靠性的设计参数。

因此，工程师在选择TIM时必须权衡结合线厚度（BLT）、表面润湿性、介电需求和机械应力缓解等权衡。本常见问题解答概述了在紧凑型设计中指定热膏、焊盘、相变材料（PCMs）和粘合剂的决策标准。

问：什么时候应该指定导热膏和散热垫？
答：在导热膏和焊盘之间的选择，取决于热传导和制造重复性的需求。导热膏（润滑脂）通常用于高功率应用（如服务器CPU和GPU），当散热片与元件在压力下紧密接触时。关键是润滑脂能提供高表面润湿性。

如图1所示，金属外壳和散热器表面的微观粗糙度会产生空气空隙，延缓热传递。导热膏矩阵是可流动的，使其能够润湿这些表面并排开界面内的空气。

图1。接口接触的示意对比。非流动溶液如焊盘可能会留下微小的空隙，而润滑脂则完全湿润表面。（图片来源：道康宁)

导热膏的技术特性：

• 导热膏的BLT可达7–20微米。由于热阻与厚度成线性比例，因此更薄的层能降低阻抗，支持最高的热通量密度。

• 然而，导热膏容易发生“泵出”现象，即材料因热膨胀循环而从界面迁移出来，重工需要复杂的清洁过程。

另一方面，导热垫通常用于内存模块、VRM和具有可变元件高度的PCB材料。它们是预先腌制且不可流动的。虽然符合要求，但它们不像润滑脂那样彻底润湿表面（见图1），通常需要更高的安装压力以降低接触电阻。此外，焊盘有效弥合大于0.5毫米的间隙，并在紧凑型组件中提供电气隔离。

问：我的设计没有空间放机械夹。我有哪些选择？
答：在超紧凑电子领域，由于Z高度限制，无法使用螺丝、夹具或弹簧夹，导热胶（TCA）是一个可行的选择。TCA既提供热界面，又作为紧固件的结构替代品，具有双重功能。

如图2所示，聚合物基体具有热绝缘性。换句话说，热传递依赖于填充颗粒形成一条连续的导电路径，连接元件与散热器。

图2。TCA中的热传递依赖于填充颗粒在绝缘环氧基体内形成渗透网络。（图片来源：MDPI)

填充物选择涉及介电需求：

• 电气绝缘：如果短路存在风险（例如桥接线路），应指定陶瓷填充剂，如氮化硼、氮化铝或氧化铝。

• 导电性：此外，为了不需隔离的热性能，会使用银等金属填充剂。银纳米颗粒同时增强了热导率和剪切强度。

重工考虑：值得注意的是，三氯酸聚合形成交联结构。虽然这形成了一种抵抗机械冲击和振动的永久粘结，但也意味着重做变得困难。试图分离用TCA粘接的散热片可能会使硅片分层或损坏PCB板。

问：对于容易出现“泵出”现象的高可靠性设备，有什么解决方案？
答：对于需要润滑脂低热阻和垫片稳定性的应用，通常会指定PCM。PCM是室温下的蜡状固体，在特定的软化温度（通常为45–60°C）时转变为液相。

在液态时，PCM会像润滑脂一样润湿界面表面，从而最大限度地减少接触阻力。图3展示了压缩力与热阻抗之间的关系。在相变过程中施加压力时，材料流动，从而降低BLT和阻抗。

图3。随着压缩力的增加，热阻降低，BLT也随之减少。（图片来源：沃尔特电子公司)

其中一个关键优势是泵送阻力。与导热膏不同，导热膏在热循环过程中会因芯片与散热片之间的CTE不匹配而迁移，PCMs在器件冷却时会重新凝固。这种重新凝固为材料加固，随着时间推移减少空洞和干燥问题。注意，重工需要加热界面以软化材料，然后再去除。

问：什么时候应该用缝隙填充剂代替普通垫片？
答：间隙填充剂设计时间隙范围从0.25毫米到5毫米，适合公差较宽或零件高度变化的组件。例如，用一个散热片覆盖GPU、显存和MOSFET。

仔细观察图4可以发现间隙填充物是可整合的。它们设计用于在相对较低的压缩力下承受10%至70%的挠度。这种低模量特性通过吸收振动相关的机械应力保护精密部件，防止焊接点或元件引脚在汽车ECU等应用中损坏。

图4。间隙填充剂通过挠曲（10-70%）来适应不同元件高度，保护脆弱的焊点免受应力。（图片来源：莱尔德)

虽然对机械可靠性有益，但厚度增加通常导致整体热通量能力低于薄润滑脂或PCMs。重整通常干净，类似于导热垫。

摘要

导热膏的热阻最低，但容易被泵出，而导热垫则简化组装并填补较大缝隙。导热胶作为结构粘合剂，机械紧固件无法使用，尽管它们限制了重做选项。

PCM结合了低热阻和泵送输出稳定性，间隙填充器则能提供较大公差以保护敏感元件。评估具体应用需求确保TIM的最佳选择以实现长期可靠性。