「建議收藏」功率電子器件界面熱阻和接觸熱阻是如何測(cè)量的?

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子芯片不斷的趨向于小型化、集成化，熱量通常被認(rèn)為是電子系統(tǒng)前進(jìn)發(fā)展的限制性因素，在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域，熱量的積累，溫度上升過(guò)高對(duì)器件的壽命和可靠性都會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響。

有研究表明，當(dāng)工作環(huán)境為70℃~80℃時(shí)，工作溫度每提高1℃，芯片的可靠性將下降5%。因此，對(duì)于界面熱傳導(dǎo)的研究就變得尤為重要。

在各種功率電子器件中，電子器件產(chǎn)生的熱量由內(nèi)而外的傳遞需要經(jīng)過(guò)數(shù)層接觸面，不同材料相互接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生界面，界面對(duì)熱流有阻礙作用, 而界面熱阻的概念亦即運(yùn)用于此。

界面熱阻的精準(zhǔn)測(cè)量也是在集成電路設(shè)計(jì)時(shí)選擇熱界面材料重要因素—— 當(dāng)熱量流經(jīng)接觸界面時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)間斷的溫度差?T，根據(jù)傅里葉定律，界面熱阻Rimp可表述為：Rimp=(T1-T2)/Q。

其中，Rimp為界面熱阻，T2為上接觸部件的界面溫度，T1為下接觸部件的界面溫度，Q為通過(guò)接觸界面的熱流通量。這里展示一個(gè)典型封裝結(jié)構(gòu)：

在熱量由芯片傳遞至散熱器的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)固-固界面。當(dāng)兩個(gè)部件之間進(jìn)行接觸傳熱時(shí)，由于固體表面從微觀上粗糙不平，部件之間實(shí)際上是通過(guò)離散的接觸點(diǎn)進(jìn)行接觸傳熱的，有研究表明，這之間的實(shí)際接觸面積不到部件對(duì)應(yīng)表面積的3%，因而產(chǎn)生了非常高的界面熱阻。當(dāng)界面填充有TIM時(shí)，增加了實(shí)際的接觸面積，界面熱阻的數(shù)值也隨之減少。

界面熱阻包括接觸熱阻和導(dǎo)熱熱阻兩部分，各類熱阻的關(guān)聯(lián)如下圖所示：

那么界面熱阻和接觸熱阻是怎么樣測(cè)量的呢?在實(shí)際應(yīng)用中，為了充分表征熱界面材料的導(dǎo)熱能力，材料本身的導(dǎo)熱率和熱阻的準(zhǔn)確測(cè)量是必須的。

其實(shí)，界面熱阻的測(cè)量非常簡(jiǎn)單，目前業(yè)內(nèi)常用于熱阻測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D5470，根據(jù)上面提到的傅里葉公式Rimp=(T1-T2)/Q，常用的測(cè)試設(shè)備可以直接或間接測(cè)得上下界面的溫度和流經(jīng)的熱通量，進(jìn)而得到材料的表觀界面熱阻。而由界面熱阻引申而來(lái)，可以進(jìn)一步得到接觸熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)：Rimp=1/λS*L+Rcon。

其中，Rimp是材料的界面熱阻，λ是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，S是部件間宏觀上的接觸面積，L是界面材料的厚度，Rcon是材料的接觸熱阻。

在具體的測(cè)試過(guò)程中，我們可以通過(guò)三點(diǎn)法測(cè)試不同厚度下的界面熱阻，進(jìn)而通過(guò)線性回歸的方法得到L=0時(shí)的熱阻，這個(gè)熱阻即為接觸熱阻R_con，而線性回歸的斜率即為1/λS，由此便得到了材料導(dǎo)熱系數(shù)的具體數(shù)值。

界面熱阻是熱界面材料的關(guān)鍵性能之一，是過(guò)去幾十年中一個(gè)比較活躍的研究方向，也是熱設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，低熱阻將領(lǐng)航今后的電子設(shè)計(jì)迅速發(fā)展。JONES(中石科技)長(zhǎng)期從事熱界面材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究，可提供各種類型與規(guī)格的熱界面產(chǎn)品和相應(yīng)的散熱方案。JONES的導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱相變材料，界面熱阻最低可以達(dá)到<0.05℃ cm2/W，并且具有優(yōu)異的可靠性，是解決相關(guān)散熱問(wèn)題的首選產(chǎn)品。

JONES低界面熱阻導(dǎo)熱硅脂

JONES導(dǎo)熱硅脂具有超低熱阻，易鋪展特性，應(yīng)用于高功率器件，如CPUs, GPUs，ASICS，北橋以及發(fā)熱器件間。其優(yōu)良的表面浸潤(rùn)性能，適用于絲網(wǎng)印刷方式較薄地涂覆于發(fā)熱或散熱器件間。同時(shí)，該款導(dǎo)熱硅脂可通過(guò)各種工業(yè)可靠性測(cè)試，并可滿足于多種應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

1、導(dǎo)熱系數(shù)2-6 W/m-K;

2、低熱阻 (熱阻低至0.06 K-cm^2/W);

3、低粘度，易絲網(wǎng)印刷和刮涂;

4、部分產(chǎn)品含溶劑。

JONES低界面熱阻導(dǎo)熱相變材料

JONES導(dǎo)熱相變材料能夠最大限度地提高散熱器的散熱性能，利用材料在指定溫度下相變的特點(diǎn)，常溫條件下產(chǎn)品形態(tài)為固態(tài)狀易于處理，而當(dāng)溫度高于材料的相變溫度時(shí)，材料開(kāi)始軟化，并對(duì)電子元件接觸界面的微觀不規(guī)則空隙進(jìn)行充分填充，從而最大程度地降低材料填隙厚度和界面接觸熱阻，而且這種相變的特點(diǎn)避免了在安裝過(guò)程中的污染，提高了產(chǎn)品的可操作性。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

1、導(dǎo)熱系數(shù)2-8 W/m-K;

2、低熱阻(熱阻低至0.06 K-cm^2/W);

3、相變溫度可調(diào);

4、可提供墊片狀、膏狀兩種形態(tài)產(chǎn)品。

自2021年8月起，中石科技已授權(quán)一級(jí)代理世強(qiáng)硬創(chuàng)平臺(tái)，以上提及的產(chǎn)品及旗下碳基導(dǎo)熱薄膜、TIM導(dǎo)熱產(chǎn)品、屏蔽材料等所有產(chǎn)品均可在世強(qiáng)硬創(chuàng)平臺(tái)瀏覽，獲取全線產(chǎn)品信息、專家技術(shù)支持等。

為給用戶提供多樣化的散熱產(chǎn)品選擇，世強(qiáng)硬創(chuàng)平臺(tái)持續(xù)擴(kuò)充優(yōu)質(zhì)電子材料領(lǐng)域的授權(quán)代理原廠，平臺(tái)已上線的廠商包括Parker Chomerics、Rogers、Aavid、Laird等，電子材料品類已全面覆蓋導(dǎo)熱、熱界面材料、散熱器、風(fēng)扇、均溫板、TEC等，可以大幅降低用戶采購(gòu)與研發(fā)的時(shí)間成本。

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