高效散热管理浅谈

PCBA

易力高欧洲区技术支持专员 Jade Bridges

在使用过程中，很多电子元器件运行会产生大量的热，如果不能很好的处理这个问题，将会对产品的可靠性和使用寿命都产生影响。本文将介绍一些散热处理的经验。

牛顿冷却定律：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比。因此，当元器件的温度达到平衡温度时，就是散热的速度与元器件内部产生热量的速度相等时，这个温度可能足够高以至于影响到产品的寿命或者导致器件失效。在这种情况下，温度的测量和管理就非常必要了。同样的，在处理含有发热器件的电路和设备时也应该考虑这个问题。

在流动的空气中散热效率会静止的空气高，所以控制温度的一种方式是在相关的设备或线路上增加一个风扇以增加对流帮助散热。但如果线路板的设计较为紧凑就无法采用这种方式。另外值得注意的一点是，在高海拔空气较稀薄的地区，散热更慢从而造成更高的元器件温度。

散热是靠元器件的表面，所以表面积越大的器件散热越快。同样的10W的有功器件，尺寸越小的温度就越高。这就是散热片的灵感来源，不同尺寸和形状的散热片可以被设计在电路中以实现显著的散热作用。通常元器件和散热片是由一块基板通过机械的办法固定在一起的。理想状态下，这块基板都应该是完全光滑的，但在现实生产中并不能实现，所以造成了元器件表面与散热器之间存在缝隙从而大大降低了散热效率。

为了解决空隙的问题，导热化合物就非常必要了。导热化合物的设计初衷是填充元器件与散热片之间的空隙，降低热阻。这使得导热片的效率得到提高，而元件的温度更快地下降。包括不固化和固化的两种类型，固化的产品通常被用于邦定材料，例如RTVs或者环氧化合物，选择时往往依据邦定的强度和操作温度的范围。

热介面材料可以是脂类，邦定材料/胶类或者导热垫。非固化的导热脂通常用于可能会需要返修的工艺中，利用不同的基油还实现不同的特性符合不同的工艺要求，例如硅基产品可以提供更宽的操作温度范围，而最近应用于非硅导热化合物的研究成果，在提高其导热性能的同时极大地减少了分油量和蒸发重量损失。易力高的HTCX就是这样一款产品，其特有的添加剂改善了导热颗粒的排列，使产品的整体性能得到了很大提升。

无论使用哪种导热产品，最重要的是确保元器件和散热片中间的空隙被完全填充，空气全部挤出。通常实现的方法是在元器件或散热片的中间放置相当数量的导热化合物，然后再将两者贴合在一起，挤出多余的材料。确保中间没有空气残余才能实现更好的散热效率及更低的元器件温度。通常导热化合物的导热系数低于散热片，所以还要注意导热化合物层应该尽可能的薄，以便降低热阻，但要确保能挤出所有的空气。

另外一种解决这个散热问题的方法是使用导热封装树脂。这种产品的设计是用来保护元器件单元不受外界环境的影响，同时器件产生的热量散发至周围的空气中。封装树脂在使用导热填料的同时，能与不同的基体树脂、固化剂和其它添加剂复配，为客户提供多体系的选择。

如果成品要在非常恶劣环境下使用，环氧类产品固化后可以提供非常刚性的保护。典型的环氧类导热产品在固化后邵氏硬度可以达到D80左右。比如易力高新款的ER2220环氧树脂在不增加粘度的前提下，导热系数已经达到1.54W/mk。

聚氨脂体系的导热化合物也能提供高性能的保护，但同时基于聚氨脂的特性，这类产品有更好的韧性。具有较好导热效果的聚氨脂树脂，通常固化后仍然可以保持一定的柔软度，邵氏硬度可以在A85左右，并且可以根据不同应用的需求来进行调整。

有机硅兼有聚氨脂产品的柔软度，但这种产品最大的优点是能够承受更高的温度，对于操作温度超过130˚C的制程来说，有机硅体系是最理想的选择。

随着市场对于散热管理产品的需求的不断发展，易力高一直致力于为各行各业研发新的适用产品，包括LED市场。LED技术更在越来越多的应用中替代传统光源，比如LCD背光电视，电子标志、显示产品以及汽车灯具等。LED灯泡产生的热量也和CPU一样，必须予以解决才保持光学性能。散热管理产品对新能源开发的效率也有帮助。如众所周知对温度特别敏感的光伏逆变器；光热应用中连接加热管与水箱的部分；氢燃料电池组件；风能发电机等等。产品微型化的趋势伴随着更多的大功率器件的应用，使得散热管理变成不但是当今而且是未来电子设计中的一个重要环节。