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降低接触热阻

铁路行业和宝德解决方案

Last updated Jan 30, 2025 | Published on May 13, 2020

更小更强大的设备是电子封装行业的趋势。但是这些小型但功率高的部件也伴随着更高的热通量。因此,工程师们必须找到最小化电子设备结到环境空气热阻的方法。

改善表面之间的热传递和整体散热性能

这种热阻可以表示为Rja,其中:

  • Rja - 从设备结到环境空气或水的热阻
  • Rjc - 从器件结点到封装外壳的热阻,由电子设备制造商确定(设计人员没有直接影响)
  • Rcs - 从封装外壳到散热器或冷板的热阻,由电子设备与散热器或冷板之间接触区域的大小和质量、使用的材料和接触压力决定
  • Rsa - 从散热器或冷板到环境空气或水的热阻,由散热器或冷板设计(材料和几何形状)决定

因此,降低Rja的一种方法是降低Rcs,即电子设备外壳与环境空气冷却的带翅片散热器或液冷冷板之间的接触电阻。影响Rcs的几个因素包括表面平整度、表面粗糙度、接触力或夹紧压力、表面清洁度以及界面材料。

表面平整度和表面粗糙度

表面平整度可理解为宽距表面不均匀性或“波浪形”表面。表面粗糙度为表面亚微细米级不均匀性,通常由加工、使用及/或磨损造成。

两个有缺陷的表面接触会导致中间出现气隙(见图1)。大多数接触表面孔隙率超过90%,形成显著热传导阻力,因为空气不是很有效的热导体。表1显示了不同制造工艺的典型表面粗糙度值。

Figure 2: Surface-Flatness-and-Roughness-Diagram

表 1:

工艺单位:µm单位:µin
抛光0.1 – 0.44 – 16
研磨0.1 – 1.64 – 64
激光切割0.8 – 6.332 – 252
压铸0.8 – 1.632 – 64
机械加工0.8 – 1.632 – 64
挤出0.8 -3.232 – 128
钻孔1.6 – 6.364 – 252

为使电子设备与散热器或冷板之间实现良好接触,通常要求安装面平整度达到0.001 in/in。表面粗糙度应等于电子设备的表面粗糙度,通常32-64 µin即足够。更精细的光洁度会增加不必要的成本且对散热性能几乎没有改善。在实现良好热界面方面,表面平整度通常比表面光洁度更加关键。

接触力

最小化接触热阻的另一个非常重要的因素是接触力,即电子设备被推向散热器或冷板的力。电子设备和散热器表面永远不会完全平坦。因此,两者之间总会有气隙。然而,随着将两个表面推在一起的接触力增加,两个表面之间的接触点数量也会增加,从而导致较低的外壳到凹槽热阻Rcs。力和热阻之间的这种关系不遵循线性曲线。随着接触力的增加,接触热阻将减小,直到接近封装可以承受的最大热阻降低和最大力的递减回报。应联系电子设备制造商以获取建议的接触力。

表面清洁度

安装面清洁度对于最小化接触热阻也很重要。安装面应保持无任何异物,例如灰尘、硅脂、氧化物和膜。由于大多数散热器和冷板在加工后需要存储,建议安装设备前进行清洁。推荐的清洁方法是使用3M Scotch Brite® No.000细钢丝绒对安装面进行轻微抛光,然后使用半导体清洁溶剂擦布进行擦拭。

热界面材料

最后,为了进一步改进Rcs,应使用适当的热界面材料(TIM)来填充两个表面之间的气隙。可以使用许多技术,包括导热硅脂和导热化合物,弹性体,胶带等,每种技术都有自己的特点(工作温度,易涂性,固化时间,压力要求等),可以使它们或多或少地适合于应用。请联系 Boyd,咨询如何为您的应用选择合适的 TIM。表 2 显示了这些 TIM 的典型热阻和导热系数值。
界面厚度 (in.)热传导,k(W/m-K)钢筋混凝土(°C/瓦)
虚焊接头不适用不适用2.9
导热膏0.0030.70.9
导热膏0.0051.20.8
弹性体0.0105.01.8
胶带0.0090.72.7

接触热电阻因素总结

接触条件涵盖几个方面,包括表面平整度、表面粗糙度、表面清洁度、接触压力及界面材料。很多技术和技巧可用于优化电子设备结到散热器的导热路径。为保持电子设备温度低于其最大额定值以及增加最终产品的可靠性,最小化热电阻很重要。

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