相变导热技术
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PCTIM 技 术 培训
2012-8-22
1
内容
导热控制基础知识
导热界面的材料
相变材料技术
产品介绍
应用实例/销售策略
2012-8-22
2
导热控制
消除电子元器件在工作中所产生的热量 适用场合
微处理器(Microprocessors) 有线/无线通讯(telecom/wireless) IGBTs 和大功率半导体(semiconductors) 移动电子设备(mobile electronics)
2012-8-22
43
Thermstrate 系列
功率模块 IGBT’s 交直流转换器 RF Components MOSFET’s 桥式整流器 电源
2012-8-22 44
Thermstrate 系列
应用广泛 非常适用于大部分电源/功 率应用 相态变化点在60 º C 导热性能出色 有几千种标准尺寸和定做尺 寸
适用于所有大功率电子元器件 每一块可涂敷400至500 in2 与Thermstrate材料相同 干净，便捷，无浪费
2012-8-22
47
Powerstrate 系列
处理器应用 导热性能最佳,效果 与高性能导热 油脂 相当 不同尺寸适用于所 有常见处理器
2012-8-22
48
Powerstrate vs Thermstrate
对绝缘材料，基材是Kapton MT (导热系数 = 0.0114 watt/inC°) => 由 2 mil Kapton所产生的热阻抗为 002/.0114 = .175 in2C°/watt，不可忽略，已计算入数据表.
2012-8-22 34
粗糙度 & 平整度
A. 表面粗糙 C. 表面不平整
2012-8-22 39
热循环测试数据比较
2012-8-22
40
有关相变材料的重点
特性
室温时为固体便于操作安装 操作温度时软化流动，粘结层厚度最小化 出色的表面润湿能力
在界面上100%润湿
原材料体积膨胀16% 膨胀使气穴被排除 无干化现象
2012-8-22 41
有关相变材料的重点
0
0
Mounting Pressure - PSI
相变化合物消除了气穴, 导热性能大大提高
2012-8-22 38
可靠性
老化条件下，油脂会迁移或干化/开裂
非相变垫片无可靠性问题，但导热性能会开 始下降并且无法恢复. 相变材料在长时间工作条件下性能不降反升 相变化合物反复流动，直到界面厚度最小. 使导热性能更出色 实际应用中， PCTIM’s有长达16年的可靠性
2012-8-22
17
导热填充料： Thermally Conductive Gap Fillers 柔软，低模量 均匀稳定
2012-8-22
18
现场成型导热材料：
Thermally Conductive “Cure in Place” Compounds
Al2O3填充于低模量树脂 填充间隙从0.005至0.25 in(英寸) 对元器件无应力影响 室温固化 局部封装元器件
Thermal Impedance - sq.in C/watt
0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 & & & 20 & 40 60 & 80 100 120 $ $ $
$
$
$ $ $ $ & 140 160 180 200 220 240
目标
提高元器件和系统的可靠性 将排风扇所引起的噪音最小化
2012-8-22 3
导热技术术语和定义
TIM: Thermal Interface Material -- 导发界面材料 TIM1: 使用于集成电路封装内 TIM2: 使用于集成电路封装外 PCTIM: Phase-Change Thermal Interface Material TCA: Thermally Conductive Adhesives--导热胶 Isolation: 绝缘材料
常见的7种导热界面材料
导热垫片 导热胶带 固液态转化材料 导热填充料 现场成型导热材料 导热油脂 导热胶
2012-8-22 14
导热垫片： Elastomeric Pad/Insulators 电气绝缘,导热界面 高温可靠性佳 有玻璃纤维填充 要求较高的安装压力
2012-8-22
T = 温差
Q = 稳定的热流量
数值越低，导热效果越佳 与导热系数相比，能更好地表征导热性能 可以直接测量，与装配方法密切相关
2012-8-22 9
热流量方程
公式推导 Qtotal = Qmaterial + Qinterface Qmaterial = R x A = TA/ Q = t / k
Thermal Impedance vs. Mounting Pressure 0.07 0.06 Thermal Impedance - sq.in C/watt 0.05 0.04 0.03 & 0.02 & 0.01 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Mounting Pressure - PSI & POWERSTRATE & & Material: Compound Thickness Alum. thickness 1 mil (0.5 mil/side) 2 mil (1 layer) $ Thermstrate 1.3 mil (0.65mil/side) 2 mil (1 layer) & Powerstrate
2012-8-22 36
安装压力
压力越大，界面厚度越小，导热性能越佳
2012-8-22 37
相变材料 vs 裸表面
Thermal Impedance vs. Mounting Pressure
0.7 0.65 0.6 $
Material:
& AL-S (Thermstrate on 2 mil Al substrate) $ Bare Aluminum, 2mil $ Dry Junction
2012-8-22
B.表面良好 D. 安装压力高
35
粗糙度 & 平整度
建议平整度 = 0.002 in/in
建议粗糙度 = 64 micro inch 对小面积界面，平整度无大影响 如果基材中有凹凸，相变化合物能在相变温度将气 穴填充
如果应用点的曲率较大，必须选择一种 “较重” 的相变化合物，以确保有足够的化合物将其完全填 充
界面上无热阻抗
相变化合物与铝质基材间 相变化合物与元器件之间
Al 箔层将热量均匀分散
避免局部高热
提供均匀一致的厚度
应用时均匀一致 简化操作和安装工艺
2012-8-22 42
有关相变材料的重点
PCTIMs 不是粘结剂 机械紧固对任何应用都是 必须的 对所有应用最关键的问题是: 装配和保持力 的类型是什么? 如果使用粘结剂，参照Loctite导热胶系列 Loctite Output 384通常使用于低功率IC和 元器件与散热片的粘结
where Q = kAT / t (from thermal cond.)
Qtotal = t / k + Qinterface
2012-8-22 10
热阻抗 vs. 厚度直线图
1/k
热 阻 抗
界面热阻抗
2012-8-22
界面厚度
11
重要信息!
导热系数不是一切!
忽略了安装界面
测量方法 - ASTM D5470
热传导的唯一测量标准
2012-8-22
12
导热障碍
Thermal budget: 装置与环境间热传导的阻碍 存在于装置，导热界面材料和散热片 改善措施
装置的设计无法改变 高性能散热片会相应提高成本 导热界面材料是唯一选择
使用高性能导热界面材料是性价比最佳的方案
2012-8-22
13
导热性能不如导热油脂和相变材料
2012-8-22
25
TIM 选择：PCTIM 相变材料
相变材料可替代所有类型的导热油脂和固 态界面材料 相变材料在特定温度由固态转变为液态
提供最佳的表面润湿 使导热化合物填充满表面间的空隙 使导热界面的厚度最小化 有效地清除界面间的气穴
最佳选择
2012-8-22 26
相变材料技术 I
相变化合物
基材
2012-8-22
27
相变材料技术II
安装
散热片
发热元器件
2012-8-22 28
相变材料技术III
加压，产生部分冷填充
2012-8-22
29
相变材料技术IV
当温度高于相变温度时 -化合物液化
在压力下流动，清除所有气穴
2012-8-22 30
流动控制
Loctite 相变材料设计为具有一定的垂度。从而抗流淌.
2012-8-22 31
相变过程
2012-8-22
32
接触界面的热阻抗
微观显示在导热路径中有气穴 裹入 空气的热传导系数非常低 (0.0007 Watt/in.°C). 会导致严重的界面处温度升高 会导致装配和系统的失效率升 高. 所有的 Loctite PCTIMs 能 100%地表面润湿，有效消除 接触界面的热阻抗.
2012-8-22
7
导热系数
Thermal Conductivity k = Qt / ADT 原材料自身特性 与装配和测试方法无关 不能直接测量
2012-8-22
8
热阻抗
Thermal Resistance = T/Q (C/Watt) Thermal Impedance = T/(Q/A) or R*A (in.2C/Watt)
2012-8-22
19
导热油脂： Thermal Compounds or Greases
最原始的导热界面材料 填充云母或其他绝缘介质 在光滑平整表面上表现优良 用量控制较严格 长时间工作有分层或干化的危险
2012-8-22
20
导热胶： Thermally Conductive Adhesives 有导热填料的结构性粘结剂 粘结强度vs导热性能是矛盾 可以填充散热片与元器件之间的较大间隙 需要操作工艺配合：施胶，固化..
2012-8-22
4
散热管理
2012-8-22
导热界面材料
5
散热管理
散热器 TIM 2
盖 TIM 1 新芯片
2012-8-22
焊球
底部填充材料
6
导热技术术语和定义
热流量 Q = Heat Flow (W) 导热系数 k = Thermal Conductivity (W/mK) 温度 T = Temperature (º C) 面积 A = Area (cm2) 厚度 t = Conductive Heat Path (mm)
2012-8-22
21
导热界面材料
2012-8-22
22
导热油脂的替代
为什么?
长期使用有硅迁移 ---->可靠性问题 无硅填充的油脂会干化 -----> 可靠性问题 工艺较肮脏，生产环境不佳 理想测试条件下，正确使用导热油脂能获得优 良的导热性能，但:
实际操作中无理想的表面条件 很难获得稳定一致的厚度和覆盖
15
导热胶带： Thermally Conductive Adhesive Tapes 丙烯酸类：适用于金属和陶瓷 硅酮类：适用于塑料部件粘结于金属散热片 间隙填充能力有限 要求部件表面平整
2012-8-22
16
固液态转化材料： Phase Change Material
室温时为固体便于操作安装 操作温度时软化流动，粘结层厚度最小化 出色的表面润湿能力
2012-8-22
45
Thermstrate 系列
Thermstrate 2000
操作简便,适用于独立电源,半导体,模块,处 理器, RF元器件等
Thermstrate SA
大量用于微处理器的预装配
Thermstrate TC
操作简便，涂一层
2012-8-22
46
பைடு நூலகம்
Thermstrate® TC Applicator Bar
油脂厚度, 表面润湿, 稳定一致性是关键
2012-8-22 23
TIM 选择：非相变材料
干燥的非相变材料能 提供:
对要求不高的应用导热性能适中 使用简便，工业中长期应用经验积累 总体来说无硅污染 成本低
2012-8-22
24
TIM 选择：非相变材料
干燥的非相变材料不能 提供:
出色的表面润湿 对不同表面的稳定一致性 最小的厚度获得最佳的效果 有效消除气穴
2012-8-22
Heat Sink Air
TIM
Air
PCTIM
Device Thermal Pad
33
热传导中最大的阻抗是什么???
接触界面的热阻抗
铝质基材会产生额外的两个接触界面吗?
相变化合物和铝质基材的制成是在高于相变温度条件下,润 湿工艺 => 无气穴生成 铝质基材厚度 =2 mil 铝的导热系数 = 5.5 watt/inC°. 铝质基材产生的热阻抗 = 0.00036 in2C°/watt. 对整体导热性能无影响
2012-8-22
1
内容
导热控制基础知识
导热界面的材料
相变材料技术
产品介绍
应用实例/销售策略
2012-8-22
2
导热控制
消除电子元器件在工作中所产生的热量 适用场合
微处理器(Microprocessors) 有线/无线通讯(telecom/wireless) IGBTs 和大功率半导体(semiconductors) 移动电子设备(mobile electronics)
2012-8-22
43
Thermstrate 系列
功率模块 IGBT’s 交直流转换器 RF Components MOSFET’s 桥式整流器 电源
2012-8-22 44
Thermstrate 系列
应用广泛 非常适用于大部分电源/功 率应用 相态变化点在60 º C 导热性能出色 有几千种标准尺寸和定做尺 寸
适用于所有大功率电子元器件 每一块可涂敷400至500 in2 与Thermstrate材料相同 干净，便捷，无浪费
2012-8-22
47
Powerstrate 系列
处理器应用 导热性能最佳,效果 与高性能导热 油脂 相当 不同尺寸适用于所 有常见处理器
2012-8-22
48
Powerstrate vs Thermstrate
对绝缘材料，基材是Kapton MT (导热系数 = 0.0114 watt/inC°) => 由 2 mil Kapton所产生的热阻抗为 002/.0114 = .175 in2C°/watt，不可忽略，已计算入数据表.
2012-8-22 34
粗糙度 & 平整度
A. 表面粗糙 C. 表面不平整
2012-8-22 39
热循环测试数据比较
2012-8-22
40
有关相变材料的重点
特性
室温时为固体便于操作安装 操作温度时软化流动，粘结层厚度最小化 出色的表面润湿能力
在界面上100%润湿
原材料体积膨胀16% 膨胀使气穴被排除 无干化现象
2012-8-22 41
有关相变材料的重点
0
0
Mounting Pressure - PSI
相变化合物消除了气穴, 导热性能大大提高
2012-8-22 38
可靠性
老化条件下，油脂会迁移或干化/开裂
非相变垫片无可靠性问题，但导热性能会开 始下降并且无法恢复. 相变材料在长时间工作条件下性能不降反升 相变化合物反复流动，直到界面厚度最小. 使导热性能更出色 实际应用中， PCTIM’s有长达16年的可靠性
2012-8-22
17
导热填充料： Thermally Conductive Gap Fillers 柔软，低模量 均匀稳定
2012-8-22
18
现场成型导热材料：
Thermally Conductive “Cure in Place” Compounds
Al2O3填充于低模量树脂 填充间隙从0.005至0.25 in(英寸) 对元器件无应力影响 室温固化 局部封装元器件
Thermal Impedance - sq.in C/watt
0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 & & & 20 & 40 60 & 80 100 120 $ $ $
$
$
$ $ $ $ & 140 160 180 200 220 240
目标
提高元器件和系统的可靠性 将排风扇所引起的噪音最小化
2012-8-22 3
导热技术术语和定义
TIM: Thermal Interface Material -- 导发界面材料 TIM1: 使用于集成电路封装内 TIM2: 使用于集成电路封装外 PCTIM: Phase-Change Thermal Interface Material TCA: Thermally Conductive Adhesives--导热胶 Isolation: 绝缘材料
常见的7种导热界面材料
导热垫片 导热胶带 固液态转化材料 导热填充料 现场成型导热材料 导热油脂 导热胶
2012-8-22 14
导热垫片： Elastomeric Pad/Insulators 电气绝缘,导热界面 高温可靠性佳 有玻璃纤维填充 要求较高的安装压力
2012-8-22
T = 温差
Q = 稳定的热流量
数值越低，导热效果越佳 与导热系数相比，能更好地表征导热性能 可以直接测量，与装配方法密切相关
2012-8-22 9
热流量方程
公式推导 Qtotal = Qmaterial + Qinterface Qmaterial = R x A = TA/ Q = t / k
Thermal Impedance vs. Mounting Pressure 0.07 0.06 Thermal Impedance - sq.in C/watt 0.05 0.04 0.03 & 0.02 & 0.01 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Mounting Pressure - PSI & POWERSTRATE & & Material: Compound Thickness Alum. thickness 1 mil (0.5 mil/side) 2 mil (1 layer) $ Thermstrate 1.3 mil (0.65mil/side) 2 mil (1 layer) & Powerstrate
2012-8-22 36
安装压力
压力越大，界面厚度越小，导热性能越佳
2012-8-22 37
相变材料 vs 裸表面
Thermal Impedance vs. Mounting Pressure
0.7 0.65 0.6 $
Material:
& AL-S (Thermstrate on 2 mil Al substrate) $ Bare Aluminum, 2mil $ Dry Junction
2012-8-22
B.表面良好 D. 安装压力高
35
粗糙度 & 平整度
建议平整度 = 0.002 in/in
建议粗糙度 = 64 micro inch 对小面积界面，平整度无大影响 如果基材中有凹凸，相变化合物能在相变温度将气 穴填充
如果应用点的曲率较大，必须选择一种 “较重” 的相变化合物，以确保有足够的化合物将其完全填 充
界面上无热阻抗
相变化合物与铝质基材间 相变化合物与元器件之间
Al 箔层将热量均匀分散
避免局部高热
提供均匀一致的厚度
应用时均匀一致 简化操作和安装工艺
2012-8-22 42
有关相变材料的重点
PCTIMs 不是粘结剂 机械紧固对任何应用都是 必须的 对所有应用最关键的问题是: 装配和保持力 的类型是什么? 如果使用粘结剂，参照Loctite导热胶系列 Loctite Output 384通常使用于低功率IC和 元器件与散热片的粘结
where Q = kAT / t (from thermal cond.)
Qtotal = t / k + Qinterface
2012-8-22 10
热阻抗 vs. 厚度直线图
1/k
热 阻 抗
界面热阻抗
2012-8-22
界面厚度
11
重要信息!
导热系数不是一切!
忽略了安装界面
测量方法 - ASTM D5470
热传导的唯一测量标准
2012-8-22
12
导热障碍
Thermal budget: 装置与环境间热传导的阻碍 存在于装置，导热界面材料和散热片 改善措施
装置的设计无法改变 高性能散热片会相应提高成本 导热界面材料是唯一选择
使用高性能导热界面材料是性价比最佳的方案
2012-8-22
13
导热性能不如导热油脂和相变材料
2012-8-22
25
TIM 选择：PCTIM 相变材料
相变材料可替代所有类型的导热油脂和固 态界面材料 相变材料在特定温度由固态转变为液态
提供最佳的表面润湿 使导热化合物填充满表面间的空隙 使导热界面的厚度最小化 有效地清除界面间的气穴
最佳选择
2012-8-22 26
相变材料技术 I
相变化合物
基材
2012-8-22
27
相变材料技术II
安装
散热片
发热元器件
2012-8-22 28
相变材料技术III
加压，产生部分冷填充
2012-8-22
29
相变材料技术IV
当温度高于相变温度时 -化合物液化
在压力下流动，清除所有气穴
2012-8-22 30
流动控制
Loctite 相变材料设计为具有一定的垂度。从而抗流淌.
2012-8-22 31
相变过程
2012-8-22
32
接触界面的热阻抗
微观显示在导热路径中有气穴 裹入 空气的热传导系数非常低 (0.0007 Watt/in.°C). 会导致严重的界面处温度升高 会导致装配和系统的失效率升 高. 所有的 Loctite PCTIMs 能 100%地表面润湿，有效消除 接触界面的热阻抗.
2012-8-22
7
导热系数
Thermal Conductivity k = Qt / ADT 原材料自身特性 与装配和测试方法无关 不能直接测量
2012-8-22
8
热阻抗
Thermal Resistance = T/Q (C/Watt) Thermal Impedance = T/(Q/A) or R*A (in.2C/Watt)
2012-8-22
19
导热油脂： Thermal Compounds or Greases
最原始的导热界面材料 填充云母或其他绝缘介质 在光滑平整表面上表现优良 用量控制较严格 长时间工作有分层或干化的危险
2012-8-22
20
导热胶： Thermally Conductive Adhesives 有导热填料的结构性粘结剂 粘结强度vs导热性能是矛盾 可以填充散热片与元器件之间的较大间隙 需要操作工艺配合：施胶，固化..
2012-8-22
4
散热管理
2012-8-22
导热界面材料
5
散热管理
散热器 TIM 2
盖 TIM 1 新芯片
2012-8-22
焊球
底部填充材料
6
导热技术术语和定义
热流量 Q = Heat Flow (W) 导热系数 k = Thermal Conductivity (W/mK) 温度 T = Temperature (º C) 面积 A = Area (cm2) 厚度 t = Conductive Heat Path (mm)
2012-8-22
21
导热界面材料
2012-8-22
22
导热油脂的替代
为什么?
长期使用有硅迁移 ---->可靠性问题 无硅填充的油脂会干化 -----> 可靠性问题 工艺较肮脏，生产环境不佳 理想测试条件下，正确使用导热油脂能获得优 良的导热性能，但:
实际操作中无理想的表面条件 很难获得稳定一致的厚度和覆盖
15
导热胶带： Thermally Conductive Adhesive Tapes 丙烯酸类：适用于金属和陶瓷 硅酮类：适用于塑料部件粘结于金属散热片 间隙填充能力有限 要求部件表面平整
2012-8-22
16
固液态转化材料： Phase Change Material
室温时为固体便于操作安装 操作温度时软化流动，粘结层厚度最小化 出色的表面润湿能力
2012-8-22
45
Thermstrate 系列
Thermstrate 2000
操作简便,适用于独立电源,半导体,模块,处 理器, RF元器件等
Thermstrate SA
大量用于微处理器的预装配
Thermstrate TC
操作简便，涂一层
2012-8-22
46
பைடு நூலகம்
Thermstrate® TC Applicator Bar
油脂厚度, 表面润湿, 稳定一致性是关键
2012-8-22 23
TIM 选择：非相变材料
干燥的非相变材料能 提供:
对要求不高的应用导热性能适中 使用简便，工业中长期应用经验积累 总体来说无硅污染 成本低
2012-8-22
24
TIM 选择：非相变材料
干燥的非相变材料不能 提供:
出色的表面润湿 对不同表面的稳定一致性 最小的厚度获得最佳的效果 有效消除气穴
2012-8-22
Heat Sink Air
TIM
Air
PCTIM
Device Thermal Pad
33
热传导中最大的阻抗是什么???
接触界面的热阻抗
铝质基材会产生额外的两个接触界面吗?
相变化合物和铝质基材的制成是在高于相变温度条件下,润 湿工艺 => 无气穴生成 铝质基材厚度 =2 mil 铝的导热系数 = 5.5 watt/inC°. 铝质基材产生的热阻抗 = 0.00036 in2C°/watt. 对整体导热性能无影响