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功率电子器件界面热阻和接触热阻是如何测量的?

功率电子器件界面热阻和接触热阻是如何测量的?

2022/7/19 10:10:43

随着微电子技术的发展,电子芯片不断的趋向于小型化、集成化,热量通常被认为是电子系统前进发展的限制性因素,在电子设备热设计领域,热量的积累,温度上升过高对器件的寿命和可靠性都会产生非常不利的影响。

有研究表明,当工作环境为70℃~80℃时,工作温度每提高1℃,芯片的可靠性将下降5%。因此,对于界面热传导的研究就变得尤为重要。

在各种功率电子器件中,电子器件产生的热量由内而外的传递需要经过数层接触面,不同材料相互接触时会产生界面,界面对热流有阻碍作用, 而界面热阻的概念亦即运用于此。

界面热阻的精准测量也是在集成电路设计时选择热界面材料重要因素—— 当热量流经接触界面时,将产生一个间断的温度差∆T,根据傅里叶定律,界面热阻Rimp可表述为:Rimp=(T1-T2)/Q。

其中,Rimp为界面热阻,T2为上接触部件的界面温度,T1为下接触部件的界面温度,Q为通过接触界面的热流通量。这里展示一个典型封装结构:

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在热量由芯片传递至散热器的过程中,需要经过多个固-固界面。当两个部件之间进行接触传热时,由于固体表面从微观上粗糙不平,部件之间实际上是通过离散的接触点进行接触传热的,有研究表明,这之间的实际接触面积不到部件对应表面积的3%,因而产生了非常高的界面热阻。当界面填充有TIM时,增加了实际的接触面积,界面热阻的数值也随之减少。

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界面热阻包括接触热阻和导热热阻两部分,各类热阻的关联如下图所示:

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那么界面热阻和接触热阻是怎么样测量的呢?在实际应用中,为了充分表征热界面材料的导热能力,材料本身的导热率和热阻的准确测量是必须的。

其实,界面热阻的测量非常简单,目前业内常用于热阻测试的标准为ASTM D5470,根据上面提到的傅里叶公式Rimp=(T1-T2)/Q,常用的测试设备可以直接或间接测得上下界面的温度和流经的热通量,进而得到材料的表观界面热阻。而由界面热阻引申而来,可以进一步得到接触热阻和导热系数:Rimp=1/λS*L+Rcon。

其中,Rimp是材料的界面热阻,λ是材料的导热系数,S是部件间宏观上的接触面积,L是界面材料的厚度,Rcon是材料的接触热阻。

在具体的测试过程中,我们可以通过三点法测试不同厚度下的界面热阻,进而通过线性回归的方法得到L=0时的热阻,这个热阻即为接触热阻R_con,而线性回归的斜率即为1/λS,由此便得到了材料导热系数的具体数值。

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界面热阻是热界面材料的关键性能之一,是过去几十年中一个比较活跃的研究方向,也是热设计环节中一个十分重要的环节,低热阻将领航今后的电子设计迅速发展。JONES(中石科技)长期从事热界面材料的开发与应用研究,可提供各种类型与规格的热界面产品和相应的散热方案。JONES的导热硅脂和导热相变材料,界面热阻最低可以达到<0.05℃ cm²/W,并且具有优异的可靠性,是解决相关散热问题的首选产品。

JONES低界面热阻导热硅脂

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JONES导热硅脂具有超低热阻,易铺展特性,应用于高功率器件,如CPUs, GPUs,ASICS,北桥以及发热器件间。其优良的表面浸润性能,适用于丝网印刷方式较薄地涂覆于发热或散热器件间。同时,该款导热硅脂可通过各种工业可靠性测试,并可满足于多种应用领域的使用要求。

产品优势

1、导热系数2-6 W/m-K;

2、低热阻 (热阻低至0.06 K-cm^2/W);

3、低粘度,易丝网印刷和刮涂;

4、部分产品含溶剂。

JONES低界面热阻导热相变材料

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JONES导热相变材料能够最大限度地提高散热器的散热性能,利用材料在指定温度下相变的特点,常温条件下产品形态为固态状易于处理,而当温度高于材料的相变温度时,材料开始软化,并对电子元件接触界面的微观不规则空隙进行充分填充,从而最大程度地降低材料填隙厚度和界面接触热阻,而且这种相变的特点避免了在安装过程中的污染,提高了产品的可操作性。

产品优势

1、导热系数2-8 W/m-K;

2、低热阻(热阻低至0.06 K-cm^2/W);

3、相变温度可调;

4、可提供垫片状、膏状两种形态产品。

自2021年8月起,中石科技已授权一级代理世强硬创平台,以上提及的产品及旗下碳基导热薄膜、TIM导热产品、屏蔽材料等所有产品均可在世强硬创平台浏览,获取全线产品信息、专家技术支持等。

为给用户提供多样化的散热产品选择,世强硬创平台持续扩充优质电子材料领域的授权代理原厂,平台已上线的厂商包括Parker Chomerics、Rogers、Aavid、Laird等,电子材料品类已全面覆盖导热、热界面材料、散热器、风扇、均温板、TEC等,可以大幅降低用户采购与研发的时间成本。

与此同时,世强硬创还拥有资深热设计FAE团队,可以帮助客户进行散热设计方案优化服务,并提供多种风冷、液冷、散热器、热界面材料等散热设计解决方案,为硬创企业的产品研发、热管理材料选型替换等提供全程技术支撑,节约其在散热设计阶段必须投入的人力及物力成本。

审核编辑(
黄莉
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