导热衬垫在印制板组件上的应用研究*

答邦宁

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

导热衬垫在印制板组件上的应用研究*

答邦宁

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

随着电子产品集成化程度的提高，功率器件及大规模集成电路的散热问题越来越突出。在设计电子产品时，常常利用导热硅脂来帮助实现发热器件和散热板间有效的热传导，从而起到热量散放的作用。文中对所选型的数种导热衬垫与导热硅脂进行了性能对比测定，通过热阻性能试验、耐溶剂试验、三防漆涂覆试验、耐低温性能试验等试验方法对其性能进行了判定，并分析了在印制板组件上用导热衬垫代替常用的导热硅脂材料的可行性。

导热衬垫；导热系数；接触热阻；总热阻

引 言

随着电子产品集成度的提高，功率器件及大规模集成电路的散热问题成为电子产品中不得不面对和解决的问题。通常的做法是采用轻质铝质散热板、液体冷板等将发热器件散发出的热量导出和散放，并在器件接触面上添加有利于减少接触热阻的导热材料，将它作为中间热传输介质，以弥补器件与散热板接触表面的微观不平整，满足发热器件的散热要求。

在印制板组件设计中，传统的做法是将导热硅脂作为大规模集成电路与散热板之间的传热介质。但导热硅脂被长期使用后，其液体成分易流淌、挥发、干涸，从而导致器件与散热板之间的接触热阻变大，导热效果下降，且在后续印制板组件三防涂覆时会出现“花脸”现象，影响产品外观质量。本文主要针对印制板组件上导热硅脂的替代材料进行性能对比和应用研究，以提高印制板组件的长期使用性，改善产品三防涂覆外观质量。

1 导热衬垫的选择

接触表面的热量传输主要以热传导形式进行，在理想情况下发热器件与散热板的接触表面温度是一致的，即器件散发的热量迅速被散热板带走。但在实际情况下，由于接触表面微观上的不平整，其中必然存在空气、液体等介质，因而接触表面总存在一定的接触热阻。因集成电路与散热板之间主要介质—空气的存在，印制板组件的热阻很大。为了减少或消除空气热阻，加入导热材料，但导热材料本身也具有热阻，且空气介质不能完全被消除，因而在发热器件与散热板之间形成了一个总热阻，包括接触热阻和材料热阻。由于热阻的存在，在实际情况下发热器件与散热板的接触表面温度不一致，即存在温度梯度[1]。

为了使传热效果尽可能地好，必须尽量减小总热阻，即减小材料热阻和接触热阻。减小材料热阻可以通过选用导热系数高、材料热阻小的导热材料来实现；减小接触热阻可通过选用填充性好的导热材料，以尽量减少界面中空气的存在来实现，两者必须综合起来考虑。从材料热阻数据来看，很多固体导热材料的导热系数大大高于导热硅脂，但其综合导热效果不及后者，其原因在于固体导热材料因填充性不好而存在接触热阻大的固有缺陷。近年来出现的双面压敏型导热材料是对固体导热材料接触热阻大这一缺陷的一个很好改进，该材料能够完全填充器件和散热板界面间隙，实现接触电阻小的最佳热传导性能[2]。

通过调研和选型，选出数个国产和进口导热衬垫材料用于试验研究，所用导热衬垫品种见表1。

表1 试验采用的导热衬垫品种表

2 研究思路

导热衬垫试验包括热阻性能试验、耐溶剂试验、三防漆涂覆试验、耐低温性能试验及相关产品实际应用试验，通过这些试验研究筛选验证满足综合使用要求的导热衬垫。

热阻性能试验的目的是验证各导热衬垫材料的导热性能，计算各材料的总热阻，并与导热硅脂进行对比，从导热的角度试验导热垫片是否能够替代硅脂。

耐溶剂试验和三防漆涂覆试验的目的是针对经过热阻性能试验筛选出的导热垫片，测试其耐印制板组件三防前清洗和各种三防涂覆清漆中的树脂及溶剂的性能。

耐低温性能试验的目的是验证备选材料中贝格斯导热垫片的耐低温性能是否满足机载产品的要求，因为贝格斯导热垫片的性能数据中均未提供适用温度范围数据。

产品实际应用试验的目的是测试验证在实际的印制板组件中，以固体导热垫片代替导热硅脂对元器件散热效果的影响。

3 研究及结果分析

3.1 热阻性能

设计专用的测试装置，将需测试的导热材料置于上、下测试块中间，上测试块上安装发热块，下测试块下安装冷板。发热块产生的热量通过上测试块、导热材料、下测试块，传给冷板，再由冷板内的冷却液带走。通过测量上下2块测试块的温度，计算出两测试块之间的总热阻[3](包括2个接触热阻和1个材料热阻)，在2.16×104Pa压力下的单层热阻见表2。

表2 各种导热衬垫热阻测试结果

从热阻数据分析，在同样的测试条件下，Bond-Ply100-8mil、TDA-12双面压敏导热衬垫的总热阻与导热硅脂的总热阻相对接近，可以作为替代品种进一步通过印制板组件实际工作状态的测试，验证在总热阻较大的情况下是否会影响到印制板组件的正常工作。

3.2 耐溶剂性能

取经过热阻性能试验后筛选出的Bond-Ply100-8mil、TDA-12双面压敏导热衬垫材料少许，将它们分别浸入无水乙醇、丙酮、二甲苯、环己酮和乙酸丁酯中24 h，定期观察导热衬垫是否溶解或溶胀，其试验结果见表3。

表3 导热衬垫耐溶剂试验结果

从表3可以看出，Bond-Ply100-8mil和TDA-12导热衬垫材料同样不溶于无水乙醇溶剂，也不溶于大部分用于三防清漆稀释的溶剂。但遇二甲苯、环己酮、乙酸丁酯溶剂时，TDA-12型导热衬垫表面会有少许单面溶解现象，但这并不影响它的导热性能等。

3.3 三防涂覆性能

将Bond-Ply100-8mil、TDA-12双面压敏导热衬垫材料分别转移至去油干净的铝板表面，于70 ℃烘箱中模拟相变过程，取出冷却后分别进行H31-3环氧酯清漆、S01-3聚氨酯清漆、CRC70丙烯酸酯清漆、1-2577有机硅清漆的浸涂试验和S01-3聚氨酯清漆的喷涂试验，经过24 h固化期后观察导热衬垫是否溶解或溶胀，其试验结果见表4。

表4 导热衬垫三防涂覆试验结果

结果表明，2种材料与H31-3环氧酯清漆、S01-3聚氨酯清漆、CRC70丙烯酸酯清漆、1-2577有机硅清漆的浸润性良好，清漆中含有的溶剂在整个固化周期内不会对其产生不良影响。

3.4 耐低温性

将Bond-Ply100-8mil、TDA-12双面压敏导热衬垫材料分别转移至去油干净的铝板表面。2种材料在-55 ℃下24 h低温存储后均没有发生碎裂现象，恢复到常态后外观无变化。

3.5 应用性验证

以4个批次某产品机箱内的同一块印制板组件作为试验对象，在每一台机箱中，该印制板共有3块，每次均选取其中的1块，在装配时将原使用的导热硅脂分别用Bond-Ply100-8mil、TDA-12替换。在印制板组件上选取几组集成电路，在每个集成电路的本体顶部贴热电偶，以测试印制板组件在环境高温与工作温度下的管壳温度。具体型号的导热衬垫与导热硅脂对比测试的器件表壳平均温度曲线如图1所示。

图1 表壳平均温度对比曲线

对比测试显示，所有各组集成电路的管壳温度在测试全过程的各点虽然表现为各有高低，但相差幅度很小，表明这2种导热衬垫材料与导热硅脂的导热效果基本相当。

4 结束语

本文通过对多种导热材料的性能对比、研究和工程应用，确定了印制板组件上发热器件散热所用的导热硅脂的替代材料。研究数据显示，Bond-Ply100-8mil、TDA-12双面压敏导热衬垫材料在热阻试验、耐溶剂性能试验中各有优缺点，在三防涂覆试验、耐低温试验中表现相当，特别是在产品实际应用中，与传统的导热硅脂性能相当。结果表明，两种型号导热衬垫完全可替代导热硅脂，并能很好地解决印制板组件器件接触表面微观不平和三防外观差的问题，目前已在雷达产品中得到了广泛应用。

[1] 王世碎, 奕永卫, 赵悖金. 高组装密度器件的散热分析[J].半导体学报，1996，17(5): 386-391.

[2] 杨世铭，陶文栓. 传热学[M]. 北京:高等教育出版社，2006.

[3] 陈陶菲, 徐德好, 刘向东. 板式脉动热管强化传热方法研究[J].电子机械工程，2011，27(4)：5-8.

答邦宁(1964-)，男，工程师，主要从事电子装联工艺工作。

Application of Thermal Conductive Pad to PCB Assemblies

With increasing integration of electronic products, the heat dissipation problem of the power device and the large-scale integrated circuits (LSIC) becomes more and more prominent. In electronic product design, the thermal grease is usually used to realize effective heat conduct from heating device to cold plate and thereby to realize heat dispersion. The performances of the selected thermal conductive pad and thermal grease are tested and compared first in this paper. Then these performances are judged through thermal resistance test, solvent resistance test, conformal coating paint test and low temperature resistance test. The feasibility of replacing thermal grease with thermal conductive pad on PCB assemblies is analyzed, too.

thermal conductive pad; thermal conductivity; thermal contact resistance; total thermal resistance

2013-02-20

TN305.94

A

1008-5300(2013)03-0050-03

DA Bang-ning

(NanjingResearchInstituteofElectronicsandTechnology，Nanjing210039,China)