《导热界面材料》word版.doc

导热界面材料一、导热界面材料的的概念：导热界面材料（Thermal Interface Materials）又称为热界面材料或者界面导热材料，是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少传热接触热阻，提高器件散热性能。二、导热界面材料在行业内的重要性：在微电子材料表面和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将他们直接安装在一起，它们间的实际接触面积只有散热器底座面积10%，其余均为空气间隙。因为空气热导率只有0.024W/(mK)，是热的不良导体，将导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成散热器的效能低下。使用具有高导热性的热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。热界面(接触面)材料在热管理中起到了十分关键的作用，是该学科中的一个重要研究分支。3、 理想的导热界面材料所具备的特点：（1） 高导热性。（2） 高柔韧性，保证在较低安装压力条件下热界面此材料能够最充分地填充 接触表面的空隙，保证热界面材料与接触面间的接触热阻很小。（3） 绝缘性（4） 安装简便并具可拆性。（5） 广适用性，既能被用来填充小空隙，也能填充大缝隙四、导热界面材料的应用领域：（1）led：电磁炉、射灯、显示屏、吊灯、舞台灯等。（2）电脑及家庭录放：显卡、笔记本、电脑、音响、dvd、vcd电视机等。（3）电子电器：冰箱、洗衣机、电磁炉、电饭煲、微波炉等。（4）其他仪器：仪器仪表、医疗器械、航空、船舶、晶体管、CPU组装、热敏电阻、温度传感器、汽车电子零部件、汽车冰箱、电源模块、电子产品、电源散热、传感器快速测温、打印机头等。五、到热界面材料的分类1.导热硅脂（1）导热硅脂的作用：导热硅脂俗称散热膏，导热硅脂以有机硅酮为主要原料，添加耐热、 导热性能优异的材料，制成的导热型有机硅脂状复合物，在散热与导热应用中，导热硅脂可以填充热界面上的空隙，使热量的传导更加顺畅迅速。 （3）导热硅脂的优缺点：优点是：性价比高，在电子散热中最常见的导热材料。 缺点是：操作不方便，一般的导热膏会有硅油析出，时间长了会干， 面积大时，使用导热硅脂（或导热膏）涂抹不方便,且长条形面积的散热。如：长400X宽4mm这样的尺寸使用导热硅脂（或导热膏）易涂抹到产品外，使用年限长的产品不建议使用导热膏，人工成本高。（2）导热硅脂应用：其性质不同（导热系数），其应用领域不一样，例如有的适用于CPU导热，有的适用于内存导热，有的适用于电源导热，还有些电子产品，电源散热，传感器快速测温等都可以用到，它可广泛涂覆于各种电子产品，电器设备中的发热体（功率管、可控硅、电热堆等）与散热设施（散热片、散热条、壳体等）之间的接触面，起传热媒介作用和防潮、防尘、防腐蚀、防震等性能。适用于微波通讯、微波传输设备、微波专用电源、稳压电源等各种微波器件的表面涂覆或整体灌封，此类硅材料对产生热的电子元件，提供了极佳的导热效果。如：晶体管、CPU组装、热敏电阻、温度传感器、汽车电子零部件、汽车冰箱、电源模块、打印机头等。 （3）导热硅脂的工作温度：一般不超过200，高温可达300摄，低温一般为-60左右 （4）导热硅脂的颜色：分别有白、灰、两种颜色对应导热系数不同的硅脂。（5）导热硅脂的包装：桶装、针管装0.2-20KG不等，可定包装。2.导热硅胶片/导热垫片（1）导热硅胶片：导热硅胶片是以硅胶为基材,添加金属氧化物等各种辅材,通过特殊工艺合成的一种导热介质材料，起到导热、绝缘、填充、防震作用，最大限度的降低散热界面的热阻，保护元器件，大大改善了整体产品的可靠性，在行业内，又称为导热硅胶垫，导热矽胶片，软性导热垫等等，导热硅胶就是导热RTV胶，在常温下可以固化的一种灌封胶，和导热硅脂最大的不同就是导热硅胶可以固化，有一定的粘接性能。 （2）导热硅胶片材料几个关键参数：导热系数：导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，C）,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量。用k表示，单位为瓦/（米度），w/（mk）（W/mK,此处的K可用代替）一般国内生产的导热硅胶片导热系数在1.0-4.0W/m.k左右。测试仪器：导热系数测试仪（湘潭仪器） 材料厚度：材料硬度（压缩比）：导热硅胶片一般为软性的，这样才能保证散热界面的空气完全挤出。没有矽胶布为基材的导热硅胶片硬度一般为15-60度（ShoreC）。如果有矽胶布为基材的话，导热硅胶片的硬度可以做成超软的，为5-10度（ ShoreC ）材料硬度在25-40度左右回弹性最好，在散热界面平整度较高的情况下，选用该硬度的材料最好。材料硬度越低，压缩比越大，对于散热界面不平整的情况使用低硬度导热硅胶片可以保证将空隙完全填充。材料硬度测试仪器为：硬度测试仪（ LX-C型微孔材 料硬度计）热阻抗：热阻抗是对传热效果的直接体现。热阻抗越低传热效果越好，热阻抗越高传热效果越差。使用导热硅胶片的散热界面热阻抗大小影响因素有：导热硅胶片导热系数、厚度、硬度（压缩比）、施加压力的大小等。测试热阻抗需要专业的仪器，对于使用导热硅胶片材料的客户可以测试温差来评价传热效果。 即导热硅胶片两侧的温度差，温度差越小传热效果越好，反之越差。击穿电压（绝缘性能）：导热硅胶片具有优异的绝缘性能。同样材质的导热硅胶片，厚度越厚，耐压 越高。1mm导热硅胶片耐交流电压为6000-10000V，测试仪器为MS2676A耐压测试仪。可持续工作温度：导热硅胶片属于有机硅范畴。工作稳定范围为-40至220摄氏度。短期耐温为260度。长期工作温度超过260度时，材料会起泡失效。可以满足大部分电子产品散热设计需要。（3）导热硅胶片材料特点：自粘性，服帖性好。软性，优异的回弹性。绝缘性，材料可靠性高。较导热硅脂而言，具有很好的稳定性，外因对材料导热系数影响小。材料为片材，方便模切，可大规模产线操作，大大降低人力装配成本。（4）导热硅胶片的作用：是专门同时还起到绝缘、减震、密封等作用,能够满足设备小型化及超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性，且厚度适用范围广，是一种极佳的导热填充材料。为利用缝隙传递热量的设计方案生产,能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位间的热传递（5）导热硅胶片的优势：导热硅胶片的导热系数的范围以及稳定度导热硅胶片在结构上工艺工差的弥合,降低散热器和散热结构件的工艺工差要求导热硅胶片具有绝缘的性能导热硅胶片具减震吸音的效果导热硅胶片具有安装，测试，可重复使用的便捷性 （6） 导热硅胶片材料应用： LED照明行业 电源行业 电视行业 汽车电子行业 冷却器件到底盘或框架结构之间 记忆存储模块 高速海量存储驱动 3. 导热相变化材料（1） 相变化材料：相变化材料(PCM - Phase Change Material)是指随温度变化而改变形态并能提 供潜热的物质。相变化材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相 变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。（2） 相变化材料优点和缺点优点：相变化材料现在主要是固固相变,在面对热冲击的状况下,可以通过相变化吸收一定的热量,减缓大热流密度的冲击.就像在导热通道上加了一个蓄水池. 现在市场上的相变化材料的相变温度大概是在45-50 左右.相变化材料主要应用与类似CPU等存在瞬时大热流密度的热源上,可以起到很好保护作用,特别是在开机或重新启动的瞬间. 缺点: 有一定的热容热阻小于导热硅胶片 厚度薄可以做到0.125mm.不易于保存以及安装，有硅油析出,影响照明设备的光效相变化导热介质比较合适在消费性电子等产品,特别是笔记本电脑,游戏机等.但是其可靠性不好,长期在高温下,其性能会下降,一般使用2年,性能下降约40%-70%.4. 导热双面胶（1） 导热双面胶：导热双面胶又称导热胶带，是由亚克力聚合物填充导热陶瓷粉末，与有机硅 胶粘剂复合而成。具有高导热和绝缘的特性，并具有柔软性、压缩性、服帖性、强粘性。适应温度范围大，可填补不平整的表面，能紧密牢固地贴合热源器件和散热片，将热量快速传导出去。（2）导热双面胶优点和缺点优点 ：一般粘接其他散热片与发热设备的用法很便捷，将导热双面贴置于 发热片与散热片之间，加力压紧，散热片即被牢牢固定在发热片上，使用简单便捷，利于提高生产效率。其散热效果比一般的散热贴纸效果明显，大大提升了元件的寿命，是一些高端且需导热的电子产品的首选。缺点：对粘接的表面要求高，印刷和电镀的表面不宜用。 5.导热石墨片（1） 导热石墨片导热石墨片是一种全新的导热散热材料，沿两个方向均匀导热，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。散热效率高、占用空间小、重量轻， 沿两个方向均匀导热，消除“热点”区域，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。（2）导热石墨片优缺点：优点：导热系数高、材料比较薄、性价比高、纵向导热性能超强，能够迅速消除热点区域。缺点：不绝缘、材料比较脆、冲型时损耗大。 6.导热胶带/导热夕胶布工业上有一种称之为导热胶带的材料，一般用于某些发热量较小的电子零件和芯片表面。这种材料的导热系数比较小，导热性能一般较低。 7. 灌封材料（1）灌封的概念：灌封简单说就是把元器件的各部分按要求进行合理的布置、组装、键合、连接与环境隔离和保护等操作工艺。它的作用是强化器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力；提高内部元件、线路间的绝缘；有利于器件小型化、轻量化；避免元件、线路直接暴露于环境中，改善器件的防水防潮性能 （2）灌封材料的性能要求：电性能要求高机械性能优异憎水防潮耐候性能优异 优秀的耐热性耐盐雾性能好灌封工件固化后可经过机械加工，在加工过程中不能会出现形变现象（3）灌封材料的应用要求：粘度低固化温度低（可室温固化）适用期长BN-4524B 热熔胶溶解剂 50g （1） 灌封材料的主要品种 优点：收缩率小，无副产物，优良的电绝缘性。环氧树脂 缺点：受分子本身结构限制，耐冷热性能差，冷热循环后易开裂。 用途：常温条件下的电子元器件灌封，对无机械力学性能特殊要求的环境。多为硬性，也有少部分软性。最大优点，对硬质材料粘接力好，灌封后无法打开，硬度高，绝缘性能佳，普通的耐温在100，加温固化的耐温在150度左右，也有耐温在300度以上的，但价位非常贵，一般无法实现大批量产。修复性不好。 优点：适用温度范围广，灌封共建固化后再经过机械加工，在加工过程中不会产生形变，电性能优秀，物理机械性能好，可维修。有机硅 缺点：强度低，硬度低。 用途：工作环境条件苛刻的高技术领域有机硅灌封材料固化前后性质要求：固化前： 1.外观：光滑细腻，流动性液体。 2.黏度：根据工艺需求，一般在2000-8000mPas。 3.操作时间：根据灌胶时间的需要， 一般在40-60min。 4.固化时间：根据排泡程度、工艺等需求一般在室温条件下24h完全固化，如果有条件可以抽完真空后再灌封，高温加热固化只需30min左右。 固化后： 1.硬度：一般在30-80邵A。 2.导热系数：一般要求0.4 W/(mK)。 3.吸水率：一般要求0.1%。 4.电性能：较大的击穿电压和绝缘电阻、较小的介电常数。 5.耐盐雾性：盐雾箱中放置1800h后性能基本没有变化。 6.耐双85性能：在温度85和湿度85%的条件下放置1000h后性能基本无变化。 7.耐紫外性能：在紫外线照射的条件下放置1000h后性能基本无变化。固化后多为软性，粘接力差；优点，耐高低温，可长期在250度使用，加温固化型耐温更高，绝缘性能较环氧树脂好，可耐压10000V以上，价格适中，修复性好。导热有机硅灌封胶的主要应用领域是电子、电器元器件及电器组件的灌封，也有用于类似温度传感器灌封等场合，电源、电源控制装置、高压变压器、镇流变压器、回扫高压变压器、射频感应加热变压器、放大器组件、高压电阻组件、泄放电阻、电子控制/传感装置、连接器，继电器、起重磁铁、负载线圈灌封。 优点：适应环境能力强，抗震性能和耐冷热性能好。聚氨酯 缺点：灌封胶表面软，易起泡。固化不充分且高温固化易发脆。表面有花纹，韧性差。寿命短，易老化。易变色，耐酸碱紫外线差。 用途：汽车干式点火圈，摩托车无触点火装置封装，普通电器元件封装。粘接性介于环氧与有机硅之间，耐温一般，一般不超过100度，气泡多，一定要真空浇注。优点，耐低温性能好. 1.成本： 有机硅树脂环氧树脂聚氨酯注：在有机硅树脂中缩合型的成本接近了环氧树脂，而改性后的环氧树脂也接近了PU 2.工艺性： 环氧树脂有机硅树脂聚氨酯注：PU因为其亲水性，必须有真空干燥才能得到比较好的固化物，如无需真空和干燥的成本又实在太高，所以热溶胶虽然是加热溶解浇注，但总体来看其可操作性还是比PU的简单的多 3.电气性能： 环氧树脂有机硅树脂聚氨酯(PU)注：加成型的有机硅或者是石蜡等类型的热溶胶，有的电气特性甚至比环氧的还要高，例如表面电阻率 4. 耐热性： 有机硅树脂环氧树脂聚氨酯(PU) 注：低廉价格的PU其耐热比热溶胶好不了多少 5.耐寒性： 有机硅树脂聚氨酯环氧树脂液体的化学品灌封到电器产品后，经过凝结固化，成为固体，从而起到保护、绝缘、密封、防水、保密等功能。双组份加成型有机硅灌封胶特点:1.固化条件：可室温固化，也可以加热固化，具有温度越高固化越快的特点；2.可操作时间：在室温条件下，可操作时间在240分钟内，特别利于自动生产线上的使用，提高工作效率、节约生产成本；3.操作简单方便：可选择人工施胶或机械施胶；无需使用其它底涂剂；4.粘接材料广泛：可以应用于PC(Poly-carbonate)、ABS、PP、PVC等材料及金属类的表面；5.具有优异的电气特性：具有优异的绝缘性能、导热、散热、抗震、耐电晕、防漏电和耐化学介质性能，因此对于电子、电器等产品能提供保护，密封和绝缘的功能；6.耐高低温优良：耐高低温、抗老化性好。固化后在在很宽的温度范围（-60200）内保持橡胶弹性;7.柔韧胶膜：固化过程中不收缩，固化后形成韧性极佳的弹性体,吸收振动及激震，抗冲击性好，具有良好及缓冲效果,对电子、电器、玻璃等易碎品提供极佳的耐震荡冲击及可靠性；8.耐侯性强：抗紫外线，耐老化，抗臭氧，防潮、防水，耐盐雾、霉菌等，能在恶劣的自然环境中工作；9.环保级别高：无毒、无污染、无溶剂、无腐蚀、常温下吸收空气中的水分固化，更安全环保，已通过欧盟RoHS标准；（5）缩合型与加成型硅橡胶性能比较性能项目缩合型硅橡胶加成型硅橡胶线收缩率百分比1.00.2深层固化一般建议灌封厚度3cm任意硫化副产物酸、肟、 醇、丙酮等小分子理论上没有电气绝缘性有小分子和副产物放出，初期下降， 以后缓慢恢复，一般能达到：1.010145.01014无副产物，电气性能 优异，一般能达到：5.010141.01015耐热性在密闭条件下较差良好耐湿热性表面发粘，强度下降明，由于缩合型硅胶固化过程为聚硅氧烷的羟基与小分子 交联剂反应脱出小分子，其交联点在原催化剂的存在下，易受到水分子的进攻而降解，从而性能下降良好，加成型硅胶则为乙烯基和氢 基的加成反应，交联点为SiCH2-CH2Si形式，且加成型催化剂对硅氧烷与水的反应无作用，其交联点能够抵抗水分子的进攻而保持较好的性能返原性在密闭受热或湿热的条件下易返原，返原 后的橡胶其主链结构发生断裂，表现为发 粘，硬度明显降低，强度显著下降，甚至 成为“糊状”，基本不具有硅橡胶的特性。在使用工艺中，由于硅橡胶固化后质密，缩合型硅橡胶交联反应产生的小分子逸出需要一定的时间，灌封厚度越厚，其逸出时 间越长，且通常会有所残留。如灌封胶层厚度超过一定厚度，底部密 封的胶将等同于处在密闭的条件下，加之残留的小分子，更易发生返 原现象；若灌封后的工件或部件有发热或受热的情况，则返原现象将 更加明显。并且返原现象是不可逆的。无注：A：正常固化硅橡胶样品B：正常固化硅橡胶经过70，20h烘烤后样品可以看出，缩合型硅橡胶固化样品经过烘烤后， 胶块出现返原现象，硬度变化明显；而加成型硅 橡胶固化样品烘烤前后，其硬度没有任何变化。两种灌封胶性能和填料：性能机械性能导热性阻燃性导电性耐 热 性透明性填料白 炭 黑金属粉氢氧化铝金属粉 氧 化 铁硅树脂碳 酸 钙氧化铝氢氧化镁炭 黑二氧化铈MQ树脂 氧化铍氧 化 锑碳纤维硅 微 粉 氧化镁炭 黑氮化铝氮化硼碳化硅（6） 灌封胶固化前一般测试性能：灌封胶固化前的主要特性有：颜色、粘度、比重、配比、凝胶时间、可使用时间、固化时间、触变性（止流性）、硬度、表面张力等。粘度：是指胶体在流动中所产生的内部摩擦阻力，其数值由物质种类、温度、浓度等因素决定。凝胶时间：胶水的固化是从液体向固化转化的过程，从胶水开始反应起到胶体趋向固体时的临界状态的时间为凝胶时间，它由双组份混合量、温度等因素决定。触变性：该特性是指胶体受外力触动时，随外力作用由稠变稀，当外界因素停止作用时，胶体又恢复到原来时的稠度的现象。硬度：是指材料对压印、刮痕等外力的抵抗能力。硬度的数值与硬度计类型有关，在常用的硬度计中，邵氏硬度计结构简单，适于生产检验，邵氏硬度计可分为A型、C型、D型，A型用于测量软质胶体，C和D型用于测量半硬和硬质胶体。表面张力：液体内部分子的吸引力使表面上的分子处于向内一种力作用下，这种力使液体尽量缩小其表面积而形成平行于表面的力，称为表面张力。表面张力的单位是Nm。表面张力的大小与液体的性质、纯度和温度有关。（7） 灌封常见问题及原因分析：1.局部放电起始电压低，线间打火或击穿电视机、显示器行输出变压器，汽车、摩托车点火器等高压电子产品，常因灌封工艺不当，工作时会出现局部放电、线间打火或击穿现象，是因为这类产品高压线圈线径很小，一般只有0.020.04mm，灌封料未能完全浸透匝间， 使线圈匝间存留空隙。由于空隙介电常数远小于环氧灌封料，在交变高压条件下，会产生不均匀电场，引起界面局部放电，使材料老化分解，引起绝缘破坏。从工艺角度分析，造成线间空隙有以下两方面原因：灌封时真空度不够高，线间空气未能完全排除，使材料无法完全浸渗。灌封前试件预热温度不够，灌入试件物料黏度不能迅速降低，影响浸渗。 操作上应注意如下几点：灌封料复合物应保持在给定的温度范围内，并在适用期内使用完毕。灌封前，试件要加热到规定温度，灌封完毕应及时进入加热固化程序。灌封真空度要符合技术规范要求。2.灌封件表面缩孔、局部凹陷、开裂 导热膏 50g BN500灌封料在加热固化过程中会产生两种收缩：由液态到固态相变过程中的化学收缩和降温过程中的物理收缩。固化过程中的化学变化收缩又有两个过程： 从灌封后加热化学交联反应开始到微观网状结构初步形成阶段产生的收缩，称之为凝胶预固化收缩；从凝胶到完全固化阶段产生的收缩我们称之为后固化收缩。这两个过程的收缩量是不一样的，前者由液态转变成网状结构过程中物理状态发生突变，反应基团消耗量大于后者，体积收缩量也高于后者。如灌封试件采取一次高温固化，则固化过程中的两个阶段过于接近，凝胶预固化和后固化近乎同时完成，这不仅会引起过高的放热峰、损坏元件，还会使灌封件产生巨大的内应力造成产品内部和外观的缺损。所以灌封料的固化