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全新TIM材料应对电子行业百年散热难题
录入时间:2018/10/23 11:31:56

原创: Dr. Ron Lasky 铟泰公司 5月31日

器件散热的挑战已经困扰了电子行业100余年。在现代电子产品中,主要的发热来自集成电路,而如果不能实现良好的散热,集成电路的使用寿命将会大大降低。因此,热转移的挑战往往会成为电子设计中的一大限制因素。

我们在许多设计案例中都可以发现,如何设计从集成电路到散热片的导热路径是散热设计的关键。我们以最为简化的模型来看,一个基础的从集成电路到散热片的路径必需通过导热界面材料(Thermal Interface Material,TIM)。当然,也有别的导热路径存在,诸如“Burn-in”和“热电制冷器”(Thermo-Electric Cooler,TEC)这种,他们的热传导模式其实也大同小异。

一种最化的集成路散模型,其中导热界面材料起到了关作用

尽管导热界面材料的概念刚刚提出的时候看似简单,然而以较低的成本高效地开发一种组装简单的导热界面材料却困扰了业界几十年。为了有效地从集成电路中散热,导热界面材料必需同时匹配集成电路和散热片的表面,从而使散热片与集成电路紧密结合在仪器上。如果导热界面材料中存在气泡空洞,导热路径会变差,并最终导致集成电路过热。空气隔热,因此需要将其从导热界面中去除。

早年间,导热硅脂作为热界面材料的其中一种被广泛应用,然而这种材料导热性差,且使用导热硅脂的过程中,硅脂通常会污染器件其他部分。而且因为导热脂的热阻系数高,在需要高导热性的情况下,导热硅脂就不适用了。下表给出了一些数据进行对比。

 

    90℃烘烤测试对比:Heat-Spring® vs. 导热硅脂 (1500小时以及3000小时)

因此,开发全新的产品来应对导热界面材料面临的挑战迫在眉睫。铟泰公司以金属导热界面材料著称,也会根据客户的需求对金属和合金方案进行调整,以确保满足客户在表现、可靠性以及成本优化等方面的考虑。在本案例中,由于客户对成本控制有一定的要求,我们采用了铝为基础材料。这也就是后面介绍的HSMF系列产品。这一系列产品采用导热最佳的铝作为材料,使用金属薄片的形式,在材料商涂覆了非硅基导热化合物。它不仅拥有卓越的热传导性能,而且极易应用与组装。目前,这种全新的产品已经在一些“Burn-in”与“热电制冷器”中得到了应用。

 HSMF 和 HSMF-OS

HSMF 和 HSMF-OS 是铝基体上的非硅基热导复合物。HSMF 在诸如IGBT这种有大型热导界面需求的应用中表现突出。它还有助于平整度差的压铸型散热器散热。这种材料本身的黏性使得贴装变得简单,而且用异丙醇就能清洗干净。这让返修变得更容易。就像金属热导材料解决方案一样,这种材料也不会随时间增加而被抽空或者烘干。

HSMF-OS只在一面有这种热导复合物,而另一面则有黏性,使其能被粘在测试头上(因为它会黏合到铜散热器上而不是测试中的设备【DUT】上)。这种人工智能的界面的强力表面使得大量重复插入成为可能。

其他散热解决方案

HEAT-SPRING®

Heat-Spring®是在热源和散热器之间的可压缩的界面材料。Heat-Spring®的表面有图案,能优化性能。Heat-Spring®的独特属性包括:

• 不像导热脂那样会被抽空或者烘干

• 无需预处理表面,容易清洁

• 可提供标准和定制的形状以及厚度

• 更好地接合表面,从而消除气泡空洞

老化测试用的铟制热导材料

得益于其高导热性(86W/mK),铟被广泛应用于要求苛刻的老化测试(burn-in and test)应用中。纯铟可在对着测试设备(DUT)的那面镀上薄层的铝来防止这种柔软的金属黏合到表面上。取决于您工艺的要求,铟锡(InSn)和铟银(InAg)合金也会是不错的选择。

焊料型热导材料解决方案

因为形成了金属间化合物键合,回流过的焊点也具有导热性。铟泰公司提供各种有效的焊料和助焊剂,包括铟、金和银基合金。材料经过了回流,因此能帮助降低空洞率(空洞能阻碍热传导)。

 

Ron Lask博士,SMTA创立者奖的获得者,是世界知名的工艺专家和铟泰公司的高级技术专家。他还是达特茅斯学院(常春藤八大名校之一)的工程学教授和其库克工程设计中心的负责人。他在电子和光电封装和组装行业有超过30年的经验。Lasky博士出版了6本书,并为超过9本以上科学、电子和光电方面的书提供内容。除此之外,他还是其他几所大学的兼职教授,教授超过20多门不同的课程,从电子封装、材料科学、物理、机械工程学与科学等到宗教学。Lasky博士拥有众多专利,还是几种关于成本估计、产线平衡和工艺优化的SMT工艺软件产品的开发人。他还与人共同创立了工程方面的认证考试,为全球的电子组装行业设立行业标准。Lasky博士还是活跃的博主,撰写不少技术性博客。相关内容请访问:www.indium.com/drlasky


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