导热垫使用问题的探讨

摘 要：本文通过对导热垫的特点和工作原理进行介绍，探讨了造成导热垫未能充分填充发热芯片和散热冷板之间的间隙的各种原因，并总结出导热垫设计的方法，可指导导热垫选用和设计，避免此类故障再次发生。

关键词：导热垫;散热;填充

导热垫是一种常见热界面材料，由于它具有较高的导热性能、可靠性、高填充性和维修性等优点，广泛地应用于计算机、电信、电子等领域。导热垫一般具有較高的弹性，可以对不同尺寸的间隙进行填充。但在实际使用过程中，经常发生导热垫未能充分填充发热芯片和散热冷板之间的间隙，导致发热芯片的热量不能及时导出，从而引起设备故障。

1 导热垫介绍

常见的导热垫是由有机硅树脂、导热颗粒、粘接剂等物质组成的混合物，可在相对较低的压力下可实现低界面热阻性能，应用于发热芯片与散热冷板之间，可以有效排除空气，降低接触热阻，达到提高散热的效果。导热垫具有一定的弹性，可以填充不同的间隙。导热垫垫安装在散热冷板和发热芯片之间，将芯片产生的热量传导至散热冷板中，从而降低芯片的温度。

导热垫压缩时会产生压缩应力，压缩应力随着压缩量的增大而增大，某型导热垫的导热系数如下表所示。在选用导热垫时要注意导热垫压缩时的压缩应力不应大于发热芯片的最大需用压力，否则会对芯片造成损伤。

在导热垫设计时，发热芯片顶部与散热冷板之间的预留间隙尺寸是导热垫正常工作的关键，理想情况下，预留间隙尺寸推荐设计为导热垫压缩25%后的厚度值。但在实际电子产品生产过程中，尤其是产品批量生产后，生产中各个环节均会产生一定的公差，在这些公差的综合作用下，最终会导致导热垫不能充分贴合，从而引发故障。下面就对造成这种故障的原因进行分析。

2 原因分析

2.1 芯片的高度误差

芯片在出厂时，芯片的外形尺寸具有一定的公差，有的芯片公差范围较大，有的芯片尺寸公差范围较小。例如，根据电源芯片LTM4600HVIV的手册可以查得，LTM4600HVIV芯片的高度最小值为2.72mm，最大值为2.92mm。根据AD581芯片手册可查得，该芯片的高度最小值为4.19mm，最大值为4.70mm。

2.2 焊接工艺

芯片采用不同焊接工艺时，受焊料类型、焊接形式、焊接工艺、焊盘大小，焊球直径等因素的影响，焊接后芯片的高度也存在差异。相同的BGA芯片在分别采用CBGA焊球形式焊接时和CCGA焊柱形式焊接时，焊接后芯片高度差异较大。即使选择相同结构的CBGA结构，当采用有铅共晶焊料和无铅焊料进行焊接时，焊接后芯片高度也存在差异。在某些特定情况下，BGA芯片需要重新值球，焊球直径的大小和焊盘的大小也影响芯片焊接后的高度。

2.3 散热冷板的加工误差

散热冷板在加工时存在一定的加工误差。虽然目前散热板通常采用数铣加工，加工精度较高，但需要注意散热冷板在设计时的尺寸标注，避免产生累计公差，参照参考文献[1]。此外，由于散热冷板一侧需要铣出较多的散热翅片，用于增大散热面积，这样散热冷板一侧的铣削量较大，散热板在冷加工后易产生翘曲变形，导致散热面的平面度较差。在散热冷板设计时要注意避免这种翘曲变形。

2.4 导热垫来料误差

导热垫在出厂时，导热垫的外形尺寸存在一定公差范围，我们这里特别关注导热垫的在厚度方向公差范围。例如Gap Pad系列导热垫厚度的公差规定如下：当导热垫厚度小于等于10mil时，导热垫厚度公差为±1mil;当导热垫厚度>10mil时，导热垫厚度公差为±10%。此外，导热垫在运输和传递过程中，没有专门的保护措施，经常层叠放置，导致处于底部的导热垫承受了一定的压力，产生塑性变形，使导热垫厚度减小。

2.5 装配问题

常用导热垫的厚度主要有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等规格，这些不同规格的导热垫外观均一致，仅仅是厚度有差异，且差异很小。在实际使用过程中，很容易安装了错误厚度的导热垫，导致故障。

2.6 印制板加工

印制板加工不合格，局部翘曲变形较大也可能导致导热垫和散热芯片不紧密贴合。

3 导热垫设计方法

综合以上分析，在导热垫设计时，需要考虑元芯片、散热冷板、导热垫和印制板等诸多因素，所以在导热垫设计时要综合考虑，一般情况下，导热垫可按照以下方法进行设计：

第一步：查询芯片手册，得到芯片的最大许用压强;

第二步：导热垫选型，确定选用的导热垫的类型和导热系数，得到导热垫的压缩应力曲线;

第三步：根据芯片最大许用压强值结合导热垫的压缩应力曲线，得到导热垫的最大压缩率;

第四步：根据导热垫的最大压缩率，选择导热垫的厚度，从而得到导热垫的预留间隙值，导热垫压缩率推荐不小于25%;

第五步：根据导热垫的预留间隙值，设计散热板尺寸，注意避免累积误差和翘曲编写;

第六步：在根据元芯片厚度公差和车间加工水平，计算出芯片焊接后高度的变化范围，对芯片焊接后高度的变化范围划分区间，根据不同区间选择不同厚度的导热垫。

4 小结

总上所述，当电子产品进入大批量生产后，由于生产过程控制不严格、工艺控制不到位和操作人员水平不一等因素，造成导热垫问题开始凸现。在导热垫来料公差、焊接工艺、冷板平面度、芯片外形公差、印制板翘曲度等因素的累加作用下，会导致导热垫在特定的条件下无法充分填充，从而导致故障发生。本文对这类故障的原因进行探讨，并总结出导热垫的设计方法，可以指导导热垫的设计和选用，其它类型的热界面材料也可参考。

参考文献：

[1]任召，周尧，李晓明.热界面材料的设计要点.机械工程师，2016（11）：170-171.

[2]江平开，陈金，黄兴溢.高导热绝缘聚合物纳米复合材料的研究现状.高电压技术，2017（09）：2791-2799.

[3]胡思聪，吴丰顺，莫丽萍，刘辉，周政.聚合物基热界面材料的研究现状.电子元件与材料，2018（12）：1-8.