散熱第一步是導(dǎo)熱 本期給大家?guī)?lái)的是關(guān)于導(dǎo)熱材料相關(guān)技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家有幫助。 隨著電子產(chǎn)品，材料、結(jié)構(gòu)、空間尺寸等限制，功率密度越來(lái)越大，對(duì)發(fā)熱元器件的散熱帶來(lái)了挑戰(zhàn)，所以有很多更高效的解決方案被挖掘，諸如熱管、VC、葉脈冷泵系統(tǒng)等，能更快的將系統(tǒng)整體發(fā)熱量帶到外部。 根據(jù)整個(gè)散熱系統(tǒng)路徑，可以看出，最底層也是最基礎(chǔ)的一環(huán)，其實(shí)是在元器件的導(dǎo)熱部分，如果發(fā)熱元器件的發(fā)熱量不能有效的傳遞給散熱端，即使外部散熱能力再好，最終也會(huì)形成熱堆積，導(dǎo)致元器件過(guò)熱，影響其工作穩(wěn)定性，甚至縮短使用壽命。 所以，解決整體系統(tǒng)熱管理問(wèn)題，除了要做整機(jī)熱設(shè)計(jì)，我們還需要做的是根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，比如空間尺寸限制、元器件功耗、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、EMC等各維度的設(shè)計(jì)要求，來(lái)選擇合適的導(dǎo)熱方式，并進(jìn)行導(dǎo)熱材料的選型。 下面，以我之前做的一個(gè)新能源4KW非車載AC-DC充電機(jī)項(xiàng)目為例，給大家分析當(dāng)時(shí)的熱設(shè)計(jì)策略與材料選型依據(jù)。
項(xiàng)目背景 給某新能源廠設(shè)計(jì)的一款非車載ACDC充電機(jī)，效率92%左右，已量產(chǎn)。 下面就該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、熱管理、測(cè)試以及報(bào)告等多個(gè)方面，介紹完整的流程以及所使用的相關(guān)導(dǎo)熱材料等內(nèi)容。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 外殼采用SECC鈑金件加工，該設(shè)備在室內(nèi)使用，使用環(huán)境沒(méi)有之前的3KW 車載充電機(jī)那么惡劣，防護(hù)等級(jí)IP33，進(jìn)出風(fēng)口有過(guò)濾棉，結(jié)合百葉窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行防護(hù)，如下圖所示。 熱設(shè)計(jì) 關(guān)于整機(jī)系統(tǒng)初始散熱方式、風(fēng)量評(píng)估的過(guò)程，本篇就不再追溯，大家感興趣的可以看之前的文章。（關(guān)于電子產(chǎn)品中風(fēng)扇應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)） 本項(xiàng)目主要發(fā)熱部件有芯片、功率管（MOS）、變壓器、整流橋、PCB板等，
由于空間尺寸限制，以及產(chǎn)品使用的環(huán)境條件等要求，我們選擇的導(dǎo)熱方式是在MOS管與散熱器直接加導(dǎo)熱硅脂、銅片。 剛性固體接觸面間會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的縫隙。可以用柔性的介質(zhì)填充這些縫隙，連接導(dǎo)熱路徑。這些柔性介質(zhì)就是導(dǎo)熱界面材料，包含導(dǎo)熱襯墊（thermal pad）、導(dǎo)熱硅脂（thermal grease）、導(dǎo)熱凝膠（thermal gel）等。 我們當(dāng)時(shí)對(duì)比了市面上的幾種導(dǎo)熱硅脂，通過(guò)樣品申請(qǐng)測(cè)試對(duì)比，最終選定了合肥傲琪電子的產(chǎn)品。 導(dǎo)熱硅脂是一種傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料，使用在發(fā)熱部件與散熱片之間達(dá)到良好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)銅、鋁散熱器表面具有一定的充分填充。非常適合于一般CPU、GPU及其它發(fā)熱功率器件的界面導(dǎo)熱。 導(dǎo)熱硅脂優(yōu)勢(shì)
n 硅脂由于粘度較低，能充分填充接觸表面從而使界面熱阻更低，所以能在最快的時(shí)間內(nèi)將熱量傳遞到散熱裝置界面，傳熱效率高。
n 涂抹于功率器件和散熱器裝配面，幫助消除接觸面的空氣間隙增大熱量流通，減小接觸熱阻，降低功率器件的工作溫度，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的使用壽命。 n 產(chǎn)品型號(hào)有多種規(guī)格可選擇（導(dǎo)熱系數(shù)1.0~5.0W/m.K）。 合肥傲琪電子的導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠片還應(yīng)用于對(duì)芯片、主板、功率管（MOS）、變壓器、模塊、PCB板、鋁基板、南橋、北橋、CPU、GPU、處理器、單片機(jī)等發(fā)熱元器件的導(dǎo)熱、散熱解決方案。 涉及領(lǐng)域包含智能手機(jī)、便捷電子設(shè)備、充電器、網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)、機(jī)頂盒、投影儀、電腦、筆記本、平板、LED照明、新能源汽車、無(wú)人機(jī)、電源、行車記錄儀、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、安防監(jiān)控、5G基站、智能電視、雷達(dá)、軍工電源、智能裝備等通電、帶電設(shè)備。 導(dǎo)熱硅脂使用還需要注意熱源面與散熱端的安裝方式、鎖附機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 在此項(xiàng)目中，MOS管金屬面涂抹導(dǎo)熱硅脂，與散熱器接觸，用螺絲鎖附，
需保證平行度、接觸面平面度等，最直接的檢測(cè)方法，可參考下面文章。（熱潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期使用的可靠性分析） 導(dǎo)熱界面材料所受的壓力越大，材料的熱阻越低，導(dǎo)熱效果越好。但芯片的應(yīng)力承受范圍有限，過(guò)大應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片壓壞。芯片如果允許，盡可能采用大應(yīng)力。 另外，導(dǎo)熱界面材料所受的壓力越大，材料的熱阻越低，導(dǎo)熱效果越好。但芯片的應(yīng)力承受范圍有限，過(guò)大應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片壓壞。芯片如果允許，盡可能采用大應(yīng)力。
芯片特別不耐壓時(shí)，考慮更軟的材料，避免由于壓力過(guò)小導(dǎo)致界面間縫隙填充不嚴(yán)密。 之前的文章給大家分享過(guò)一些關(guān)于新能源車載3KW的AC-DC充電機(jī)的內(nèi)容（新能源車載系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)（IP67可靠性改良方法）） 里面有就用到導(dǎo)熱硅膠片,我們來(lái)說(shuō)說(shuō)采用此導(dǎo)熱方式的原因。 此產(chǎn)品是車載、而且整機(jī)空間尺寸受限，功率密度比較適中，采用自然冷卻散熱的方式，MOS管外殼與PCB接觸，金屬面面向散熱器。 這樣設(shè)計(jì)的目的是減少路徑上的熱阻，盡可能發(fā)揮散熱器的性能。 那么勢(shì)必帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題： n 絕緣要求，需要解決hipot、EMC等的問(wèn)題。n 接觸良性，對(duì)導(dǎo)熱影響 導(dǎo)熱硅膠片/導(dǎo)熱墊（無(wú)硅油）可以完美解決這些問(wèn)題。 導(dǎo)熱硅膠片一款超柔軟（類似餃子皮）的高導(dǎo)熱性能的材料（導(dǎo)熱系數(shù)1.5~18W/m.K），在低壓力的情況下表現(xiàn)出較小的熱阻和很高的形變量（壓縮比15~30%），擁有非常好的填縫性能，推薦使用在公差比較大的平面。另外具有雙面低粘性，不需要額外的阻礙導(dǎo)熱的粘膠涂層亦可背膠處理，強(qiáng)粘性粘接。 通過(guò)多方調(diào)研與樣品申請(qǐng)測(cè)試試用后，最終選定合肥傲琪的導(dǎo)熱硅膠片。 其優(yōu)勢(shì)在于， 1. 性能n 與電子組件裝配使用時(shí)，低壓縮力下表現(xiàn)出較低的熱阻和較好的電氣絕緣特性，擊穿電壓(>3kv/mm)。在-40℃~200℃可以穩(wěn)定工作,滿足UL94V0的阻燃等級(jí)要求。
n 厚度選擇（0.3/0.5mm、1.0mm每0.5mm遞增至12mm，適合不同發(fā)熱元器件與外殼間隙填充。n 無(wú)硅油款適合對(duì)硅油敏感的電子產(chǎn)品（帶有攝像頭解決霧化現(xiàn)象）。n 導(dǎo)熱墊能夠填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位的熱傳遞,增加導(dǎo)熱面積,同時(shí)還起到減震、絕緣、密封等作用,能夠滿足設(shè)備小型化、超薄化的設(shè)計(jì)要求,是極具工藝性和使用性的新材料。
2. 定制化服務(wù)特殊厚度可以按照要求定制，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)寬400*200mm，按照需求尺寸定制特殊形狀CAD圖紙刀模模切加工）。
測(cè)試驗(yàn)證 接下來(lái)我們看看基于Flotherm軟件模擬，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果情況。
可以看出，仿真的各元器件結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，兩個(gè)電感溫度有些超標(biāo)，分析原因，可能是風(fēng)道設(shè)計(jì)問(wèn)題，到兩個(gè)電感區(qū)域的有效風(fēng)較少，沒(méi)有及時(shí)將熱量帶走導(dǎo)致。
后續(xù)的版本我們做了一些優(yōu)化，篇幅受限，這里就不做詳細(xì)介紹，感興趣的可以下載模型后自行研究。
在仿真后期，打樣組裝成品之后，我們對(duì)實(shí)物做了溫升測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示，
可以看出，此版本的仿真、實(shí)測(cè)的結(jié)果都反饋出少數(shù)部分元器件溫升有問(wèn)題，這也給我們整機(jī)熱管理改善、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了方向指引。 無(wú)論結(jié)果如何，我們都需要將獲取的原始數(shù)據(jù)，整理成易懂的報(bào)告，以圖片、表格等形式進(jìn)行匯報(bào)，方便項(xiàng)目干系人及時(shí)、明確的知曉項(xiàng)目進(jìn)展、潛在的風(fēng)險(xiǎn)等。 熱設(shè)計(jì)報(bào)告 優(yōu)秀的工程師，除了技術(shù)過(guò)硬，向上匯報(bào)的能力也必須具備，這是軟實(shí)力的體現(xiàn)，下面是該項(xiàng)目的報(bào)告內(nèi)容，截取部分，大家感興趣可查閱之前的文章（如何向上匯報(bào)：專業(yè)的熱設(shè)計(jì)報(bào)告）。
注意事項(xiàng) n 若某堆發(fā)熱元器件在一起，導(dǎo)熱硅脂與導(dǎo)熱硅膠片一起使用的情況，需要將散熱器分開設(shè)計(jì)，避免因?qū)峁枘z片壓縮率、結(jié)構(gòu)面平整度、安裝與設(shè)計(jì)公差等因素，致使導(dǎo)熱硅脂接觸不良，從而影響發(fā)熱源散熱。n 任何項(xiàng)目都不是一蹴而就的，在理論計(jì)算、仿真、測(cè)試等結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終結(jié)合成本、空間尺寸、供應(yīng)鏈、工藝等因素，形成項(xiàng)目的最終設(shè)計(jì)方案。 至此，一個(gè)完整的項(xiàng)目，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)到測(cè)試，總結(jié)匯報(bào)完整的研發(fā)過(guò)程就介紹完畢，如果大家一些心得體會(huì)，歡迎在評(píng)論區(qū)或私信我交流。
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