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高效散热管理浅谈

Posted on 22 March 2014 by Electrolube

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。

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散热管理的新选择——导热垫片

Posted on 22 March 2014 by Electrolube

随着工业生产和科学技术的发展,人们对材料不断提出新的要求。在电子电器领域,由于集成技术和组装技术的迅速发展,电子元件、逻辑电路向轻、薄、小的方向发展,发热量也随之增加,从而需要高导热的绝缘材料,有效的去除电子设备产生的热量,这关系到产品的使用寿命和质量的可靠性。

以前常用的冷却方法有:自然冷却、通风或者使用更大的机壳。随着发热区域越来越广,产生的热量也越来越大,迫使电子设备厂商不得不采取更为有效的散热措施。热界面材料也就应运而生。

导热垫片就是热界面材料中的一种,广义上讲,是指能起传导热效果的片状物体,这样的物体可以是金属板、环氧导热片材、导热塑料、导热橡胶等;一般来说,我们将使用硅橡胶材质作为基础框架、填充导热物质的片状导热绝缘硅橡胶材料称为导热垫片,也称为导热硅橡胶。 

导热垫片的优势

导热垫片作为热界面材料中的一种,其相较于其它热界面材料的优点是比较明显的。首先,导热垫片具有可压缩性,柔软且有弹性,对于低压力下的应用环境有缓冲和防震的作用;其次,导热垫片均有一定的自粘性,对于不需要高粘性的应用场合来说,不需要额外在导热垫片表面涂抹粘合剂;第三,导热垫片的厚度是可选择的,对于不同的间隙,可选择不同厚度的导热垫片,也就是说,导热垫片具有更为宽广的应用环境;第四,区别与导热硅脂、导热灌封胶及导热相变材料等其它热界面材料,导热垫片可以方便地重复使用,对于安装、测试非常重要;最后还要指出的是,导热垫片的导热系数是很稳定的,不会因为厚度的增减而影响热传导效果,这一点较之导热硅脂有很大的不同。 

导热垫片的适用领域

从传热与辅助散热效果来看,导热垫片与其它导热材料区别并不大,如果有区别也只是由导热系数高低引起的。它们真正的区别在于不同的应用领域,或者说不同的应用部件。适合导热垫片的应用领域主要是:高速硬盘驱动器、PCB板、内存模块、功率电源模块、散热模组、晶体管、电子管、汽车发动机控制装置、通讯硬件、家用电器、LCD、大功率LED、移动设备以及军事用品上。在这些领域之所以使用导热垫片而不是导热硅脂等其它热界面材料,主要有以下几点:1)导热垫片可以重复安装,对生产操作比较有利:即节约时间又比较省事;而导热硅脂涂抹不方便、且不方便重复安装操作,比较费时费事;2)这些电子产品内部的电子元器件比较集中,因而会使得各个电子元器件之间高低不一,使用导热垫片一般一片就可以覆盖全部发热源。3)这类电子元器件与散热器件的距离一般都较大,而导热硅脂在厚度增大时热阻也会急剧增大,对热传导非常不利,导热垫片则不会因为厚度的变化而影响热传导效果;4)电子元器件一般面积比较大,涂抹导热硅脂很难做到涂抹均匀,对发热源的热量传导不利,而使用导热垫片完全不用考虑这个问题,因为导热垫片尺寸已固定,且有较好的压缩性,对这些电子元器件散热更有利;5)导热垫片性能稳定,在高温时不会渗油,而导热硅脂一般在高温时会有硅油渗出、表面积存灰尘,从而影响电子元器件的使用寿命。

相对来说,导热垫片对于CPU及GPU的应用不太适合,因为这类部件通常周围空间很小,导热垫片的热阻虽然能达到工艺要求,但厚度却很难做到足够薄(如0.1mm、0.05mm等)。 

导热垫片的应用

导热垫片的使用非常简单,直接将导热垫片置于发热电子元器件与散热器之间即可。当然,为了更充分的发挥导热垫片的作用,最好在散热器—导热垫片—发热电子元器件之间适当适量的压力,以使导热垫片与发热电子元器件及散热器接触更紧密,这样能适当的降低界面接触热阻,更有利于热量的传导,从而让发热电子元器件上的温度保持在合适的范围,增加电子元器件的使用寿命。

对于发热量较低的电子元器件,如日照照明设备、记忆存储模块及其它低导热要求的电源模块等,导热系数为1.0W/mK以下的导热垫片是比较合适的选择,;对发热较多的电子元器件,我们推荐使用导热系数为2.0W/mK左右的导热垫片,如高速大存储驱动、计算机散热模组、汽车发动机控制单元及LCD背光模组等;对发热非常多的电子元器件,我们推荐使用导热系数为3.0W/mK及以上的导热垫片,如大型功率转换设备、大功率电源设备、GPU、CPU、硬度驱动及其它高导热需求的模块。

对于具体需求的导热垫片要多大的导热系数,使用者也可以根据下面的公式计算,进行大致的判断。如,根据发热电子元器件单位时间内发热的数量以及电子元器件能承受的热量,从而推断出单位时间内必须转移多少热量,再由电子元器件的面积及其与散热器之间的距离,即可大致判断导热系数为多少的导热垫片比较适合。

导热系数计算公式(测试标准为修正版ASTM…


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Conformal Coating – Selection, Best Practice and Future Trends

Posted on 03 October 2013 by Electrolube
标签: Conformal Coatings

Conformal coatings are protective lacquers used within the electronics industry to protect printed circuit boards (PCBs) and eliminate failures caused by exposure to a variety of environmental conditions. Such conditions can include airborne ionic material, atmospheric moisture and the electrostatic attraction of dust. In more challenging environments however protection from chemicals, extreme humidity or even corrosive atmospheres, such as salt mist, may be required. The coatings are designed to ‘conform’ to the contours of the board, protecting…

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