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功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

隨著微電子技術的發展,電子晶片不斷的趨向於小型化、整合化,熱量通常被認為是電子系統前進發展的限制性因素,在電子裝置熱設計領域,熱量的積累,溫度上升過高對器件的壽命和可靠性都會產生非常不利的影響。

有研究表明,當工作環境為70℃~80℃時,工作溫度每提高1℃,晶片的可靠性將下降5%。因此,對於介面熱傳導的研究就變得尤為重要。

功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

在各種功率電子器件中,電子器件產生的熱量由內而外的傳遞需要經過數層接觸面,不同材料相互接觸時會產生介面,介面對熱流有阻礙作用, 而介面熱阻的概念亦即運用於此。

介面熱阻的精準測量也是在積體電路設計時選擇熱介面材料重要因素—— 當熱量流經接觸介面時,將產生一個間斷的溫度差∆T,根據傅立葉定律,介面熱阻Rimp可表述為:Rimp=(T1-T2)/Q。

其中,Rimp為介面熱阻,T2為上接觸部件的介面溫度,T1為下接觸部件的介面溫度,Q為透過接觸介面的熱流通量。這裡展示一個典型封裝結構:

功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

在熱量由晶片傳遞至散熱器的過程中,需要經過多個固-固介面。當兩個部件之間進行接觸傳熱時,由於固體表面從微觀上粗糙不平,部件之間實際上是透過離散的接觸點進行接觸傳熱的,有研究表明,這之間的實際接觸面積不到部件對應表面積的3%,因而產生了非常高的介面熱阻。當介面填充有TIM時,增加了實際的接觸面積,介面熱阻的數值也隨之減少。

功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

介面熱阻包括接觸熱阻和導熱熱阻兩部分,各類熱阻的關聯如下圖所示:

功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

那麼介面熱阻和接觸熱阻是怎麼樣測量的呢?在實際應用中,為了充分表徵熱介面材料的導熱能力,材料本身的導熱率和熱阻的準確測量是必須的。

其實,介面熱阻的測量非常簡單,目前業內常用於熱阻測試的標準為ASTM D5470,根據上面提到的傅立葉公式Rimp=(T1-T2)/Q,常用的測試裝置可以直接或間接測得上下介面的溫度和流經的熱通量,進而得到材料的表觀介面熱阻。而由介面熱阻引申而來,可以進一步得到接觸熱阻和導熱係數:Rimp=1/λS*L+Rcon。

其中,Rimp是材料的介面熱阻,λ是材料的導熱係數,S是部件間宏觀上的接觸面積,L是介面材料的厚度,Rcon是材料的接觸熱阻。

在具體的測試過程中,我們可以透過三點法測試不同厚度下的介面熱阻,進而透過線性迴歸的方法得到L=0時的熱阻,這個熱阻即為接觸熱阻R_con,而線性迴歸的斜率即為1/λS,由此便得到了材料導熱係數的具體數值。

功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

介面熱阻是熱介面材料的關鍵效能之一,是過去幾十年中一個比較活躍的研究方向,也是熱設計環節中一個十分重要的環節,低熱阻將領航今後的電子設計迅速發展。JONES(中石科技)長期從事熱介面材料的開發與應用研究,可提供各種型別與規格的熱介面產品和相應的散熱方案。JONES的導熱矽脂和導熱相變材料,介面熱阻最低可以達到

JONES低介面熱阻導熱矽脂

功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

JONES導熱矽脂具有超低熱阻,易鋪展特性,應用於高功率器件,如CPUs, GPUs,ASICS,北橋以及發熱器件間。其優良的表面浸潤效能,適用於絲網印刷方式較薄地塗覆於發熱或散熱器件間。同時,該款導熱矽脂可透過各種工業可靠性測試,並可滿足於多種應用領域的使用要求。

產品優勢

1、導熱係數2-6 W/m-K;

2、低熱阻 (熱阻低至0。06 K-cm^2/W);

3、低粘度,易絲網印刷和刮塗;

4、部分產品含溶劑。

JONES低介面熱阻導熱相變材料

功率電子器件介面熱阻和接觸熱阻是如何測量的?

JONES導熱相變材料能夠最大限度地提高散熱器的散熱效能,利用材料在指定溫度下相變的特點,常溫條件下產品形態為固態狀易於處理,而當溫度高於材料的相變溫度時,材料開始軟化,並對電子元件接觸介面的微觀不規則空隙進行充分填充,從而最大程度地降低材料填隙厚度和介面接觸熱阻,而且這種相變的特點避免了在安裝過程中的汙染,提高了產品的可操作性。

產品優勢

1、導熱係數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;

4、可提供墊片狀、膏狀兩種形態產品。

自2021年8月起,中石科技已授權一級代理世強硬創平臺,以上提及的產品及旗下碳基導熱薄膜、TIM導熱產品、遮蔽材料等所有產品均可在世強硬創平臺瀏覽,獲取全線產品資訊、專家技術支援等。

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與此同時,世強硬創還擁有資深熱設計FAE團隊,可以幫助客戶進行散熱設計方案最佳化服務,並提供多種風冷、液冷、散熱器、熱介面材料等散熱設計解決方案,為硬創企業的產品研發、熱管理材料選型替換等提供全程技術支撐,節約其在散熱設計階段必須投入的人力及物力成本。

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