導熱矽脂在功率模塊冷卻係統中的作用
在功率模塊的冷卻係統中,芯片是熱源,熱量通過多層不同材料的冷卻液導出係統,每層材料的導熱係數不同。功率模塊基板和散熱器多采用銅、鋁等金屬材料,銅的導熱係數約為390 W/(m·k)。鋁的導熱係數約為200W/(m.K)。這些金屬材料的導熱係數非常高,也就是說它們的導熱性能非常好。那為什麽功率模塊和散熱器之間要用導熱係數隻有1~6W/(m.K)的導熱矽脂呢?
原因是當兩個金屬表麵接觸時,理想狀態是金屬表麵直接接觸,達到完全的金屬對金屬接觸,但現實中兩個金屬表麵並沒有直接接觸,兩個金屬表麵之間存在大量的間隙,如圖所示。這些縫隙中充滿了空氣,但是空氣的導熱係數隻有0.003W/(m.K)左右,導熱係數很差。使用導熱矽脂的目的是填充這些縫隙中的空氣,保持現有的金屬與金屬的接觸,從而達到係統的Z佳散熱性能。
02導熱矽脂的厚度
導熱矽脂的厚度直接影響從模塊基板到散熱器的熱阻。如下圖所示,導熱矽脂不能太稀也不能太稠,要控製在一定範圍內。如果塗層太薄,金屬接觸麵處的縫隙中的空氣不能充分填充,散熱能力會降低;如果塗層太厚,模塊基板和散熱器之間就沒有有效的接觸,散熱能力也會降低。因此,導熱矽脂的厚度應控製在理想值附近的範圍內,以實現從功率模塊到散熱器的Z佳導熱性。
03導熱矽脂塗抹方法
在現有的工藝條件下,導熱矽脂的塗抹方式主要有三種:輥塗、絲網印刷和鋼絲網印刷。
滾塗是Z傳統、Z簡單的塗布方式,工藝簡單,成本低,適合小批量生產。
絲網印刷和鋼絲網印刷是均勻性和厚度可以控製的塗抹方法,適合大規模生產。鋼絲網適用於矽脂厚度較薄的應用,鋼絲網適用於矽脂厚度較厚的應用。
導熱矽脂的選擇
導熱矽脂的選擇需要考慮很多因素,如導熱係數、粘度、介電強度、揮發物含量以及溢流和幹燥特性等。
導熱矽脂的導熱係數是一項重要指標。對於熱設計,矽脂導熱係數越高,功率模塊散熱越好。但是,並不是說導熱係數越高越好。高導熱矽脂使用大顆粒填料,會限製矽脂的Z小厚度。而且導熱係數高的矽脂粘度比較大,不利於矽脂的擴散。
導熱矽脂的介電強度和導熱係數正好相反,也主要受填料比例的影響。所以高導熱矽脂的介電強度比較低,絕緣性比較差。如果應用於無銅背板模塊,矽脂可能會進入矽膠,影響模塊應用的絕緣性能。
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