有機硅熱接口材料在汽車電子器件中的應用

　　汽車電子器件面臨著越來越多傳熱問題的考驗，因為發(fā)動機艙越來越小，而容納的部件數(shù)目卻日益增多，發(fā)動機功率輸出比以往更高，這樣，便造成前艙空氣溫度升高。同時，電子器件本身的功能和功率也在不斷增加，產(chǎn)生的熱量隨之增多。而由于熱量的散失是性能和可靠性的決定因素，因此，人們將重點放在了這些電子器件中的熱接口材料(TIM)上。有機硅具有一系列獨特的物理和電氣性能，可有效促進散熱。有機硅TIM的形式多樣，包括粘合劑、凝膠、灌封劑、填隙料、裝配式墊片和相變材料等。

　　降低熱量，提高可靠性

　　發(fā)動機艙變小，容納的部件愈加密集，可以使汽車前艙溫度不斷升高。同時，市場上大量需求功能更多、功率更大的電子器件，而它們產(chǎn)生的熱量通常遠高于以往的設計，且封裝體積一般很小。例如，典型的ABS/ESP控制單元在上世紀80年代剛推出時采用的是大PCB設計，而現(xiàn)在，拇指大小的陶瓷混合電路板的功能卻是以往的十倍之多(見圖1)。

　　熱量最終必須從PCB或混合電路板上的產(chǎn)生源傳導到電子模塊外的環(huán)境空氣中。一般通過設計有利于提高空氣流速的大金屬表面，可以更好地將熱量傳遞到空氣中(見圖2)。由于環(huán)境空氣及內(nèi)部較高的溫度會嚴重降低電子設備的可靠性、壽命和性能，因此，設計工程師們?nèi)栽诶^續(xù)尋求更佳的方法，將熱量從產(chǎn)生它的產(chǎn)生源傳導出來。

　　熱接口材料

　　TIM(通常是)在熱源和散熱器或熱沉(heat sink)之間形成一個導熱通路。

　　電子器件制造商需要溫度穩(wěn)定性更高的材料，供應商們不斷推出各種性能更高的TIM產(chǎn)品，通常有粘合劑、凝膠、灌封劑、填隙料和裝配式墊片等。圖3說明了TIM目前及未來在汽車上的各種應用。

　　特性與性能

　　確定使用哪種TIM時，需要綜合平衡熱性能、物理性質(zhì)、加工簡易度及成本等因素。雖然TIM有助于提高汽車電子器件的性能和可靠性，但這些材料僅是散熱解決方案的一部分。在低功率電器中，一般通過銅的地線板和散熱通孔散熱。車窗控制器和電子動力轉向裝置等中等功率的電器，或混合動力汽車的變換器和逆變器等高功率電器，通常采用絕緣金屬和直接敷銅等導熱基板。在要求更強的熱控時，需使用TIM。
接口材料的熱性能主要取決于綜合的材料特性，包括本體熱傳導率、TIM/基板界面的接觸熱阻及鍵合線厚度(BLT) 等。材料開發(fā)中，通常需要達到高本體熱傳導率、低BLT(<100mm)、高介電強度、低界面電阻和長期的穩(wěn)定性。此外，與基板緊密接觸的能力也是材料的一個重要特性，不管是對于更換型材料還是預先裝配好的形狀，這種性能都有助于消除氣隙，最大程度提高熱傳遞。此外，保持電絕緣性能(可無需使用金屬填料)是實現(xiàn)更高熱傳導率需要克服的障礙之一。

　　導熱有機硅

　　有機硅長期以來在汽車應用中被用作傳熱材料。作為TIM，它們具有諸多優(yōu)勢，包括高低溫穩(wěn)定性、本身固有的低離子含量及很高的純度。而且，由于其可與基板實現(xiàn)優(yōu)異的表面接觸和無孔隙界面，因而它們常常是TIM的首選。而且固化后的有機硅材料具有廣泛的物理性能，可適應各種具體的應用。 

　　固化的有機硅在化學性質(zhì)上為惰性，可在-45℃到+200℃的溫度范圍內(nèi)保持物理性能，這使其成為極少數(shù)能夠承受前艙電子部件惡劣運行環(huán)境的材料之一。由于模量很低，有機硅TIM具有足夠的柔性，可適應不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)，傳遞到部件或基板的應力達到最小。

　　有機硅TIM有多種形式

　　灌封劑和凝膠

　　灌封劑((或封裝化合物)和凝膠用于嵌入整個電路組件，以最大程度提高熱傳遞(通常為多個方向)，并為器件或電路提供一定程度的物理保護。灌封劑固化為耐久的彈性橡膠，提供更大的物理保護，而更軟的凝膠則可更多地減緩熱膨脹和機械應力。這些可流動的液體也可用作填隙料，或用來連接電路和熱沉，便于自動生產(chǎn)的大批量加工。
 
　　灌封劑一般為雙組分熱固配方形式，幾乎在任何厚度下都能固化。它比凝膠的機械強度更高。

　　凝膠通常也為雙組分材料，為易碎部件最大化減緩應力。它們不需要很高的壓力就能輕松地流入不規(guī)則表面，表現(xiàn)出非常低的界面接觸阻力。

　　粘合劑

　　由于導熱粘合劑能夠填滿不規(guī)則形狀的間隙，產(chǎn)生更大的接觸面積，最大化熱傳導，因而，增強了電子器件的設計靈活性。同樣，在不能嚴格控制零件的平面度和裝配公差時，它們還能提高生產(chǎn)的可靠性和成本效率。有機硅配方一般為沒有腐蝕性的熱固化材料，在加工過程中不會產(chǎn)生很多副產(chǎn)物，這使其即使在完全封閉的情況下也能作為結構膠使用，而無需機械固定裝置。

　　粘合劑產(chǎn)品包括低粘度液體及不塌落配方等。有機硅可為單組分或雙組分配方，具有熱固化或濕固化的機理。粘合劑緊密的表面接觸有助于減少界面熱阻，且特殊的有機硅配方甚至有微隔離珠，以實現(xiàn)十分均勻的鍵合線，同時為底板的偏差和小的彎曲留有余地?？闪鲃拥牟牧弦部勺鳛閷峁喾鈩┦褂谩?/p>

　　很多產(chǎn)品都具有寬廣的固化范圍，可適應各種固化條件和加工速度，有的可實現(xiàn)超過 4.0 W/mK的熱傳導率。固化時，導熱粘合劑轉化為堅固但柔軟的彈性體。這類材料非常適于許多汽車前艙應用的苛刻工作環(huán)境，目前被用于發(fā)動機控制單元、制動和懸掛控制器、風扇控制器和變速器電器應用中。其他可能的應用包括各類電源、傳感器和電機控制器。

　　填隙料

　　接口材料的一個關鍵功能是完全填補任何不規(guī)則表面并將空氣排出。實際上，材料或復合材料的本體熱傳導率可能并不如流動和潤濕基板的能力重要。從熱傳導的角度來看，導熱油脂很適合TIM應用，但是油脂在較高溫度下可能易被抽空，尤其是在經(jīng)過反復的熱循環(huán)后。

　　填隙料通過一種干法技術解決了這個問題。它們通常比粘合劑軟，具有極好的應力減緩能力，且一般比粘合劑產(chǎn)品的熱傳導率更高。填隙料使用時，一般有機械固定，具有傳統(tǒng)油脂的性能優(yōu)勢，但又保持了自我支撐。在低至0.703 kg/cm2的壓力下，可觀察到這類替代性材料的完全流動，它們還可在部件表面直接印刷和固化，或采用貼膜轉移工藝用作預固化墊片。

　　墊片

　　墊片形式的有機硅用于導熱填隙料(一般為1~6mm厚)和薄TIM墊片(通常0.2~1.0mm厚)。彈性體墊片不僅使用簡便，而且具有良好的耐久性，是現(xiàn)有的少數(shù)可修補材料之一。極低模量的新有機硅墊片和TIM墊片形式的有機硅用于導熱填隙料(一般為1~6mm厚)和薄TIM墊片(通常0.2~1.0mm厚)。彈性體墊片不僅使用簡便，而且具有良好的耐久性，是現(xiàn)有的少數(shù)可修補材料之一。極低模量的新有機硅墊片和TIM已顯示出可實現(xiàn)與許多液體配料相當?shù)男阅埽覠o需計量、混合或固化。 (見圖4)

　　實踐證明，導熱墊片作為TIM的導熱機理非常有效，且干態(tài)墊片形式具有使用簡便，長期穩(wěn)定的主要優(yōu)勢。但墊片和薄膜通常需要較大的鍵合線厚度，以方便處理。而只有使用濕配料才能實現(xiàn)極薄的粘合線。

　　為盡量減少界面熱阻和安裝部件上的應力，還可使用模量值低于3.5 kgf/cm2的柔軟彈性體。這類材料本身具有粘性，有利于組裝。如需要，可使用橡膠背材或沒有粘性的導熱涂層使一側不粘。

　　導熱材料比較

　　一般，人們在比較導熱材料時只是簡單地看本體熱傳導率的數(shù)值，但這未必總是最好的方法。決定材料總體傳熱能力的不僅僅是本體材料的熱傳導率，還有其他幾個因素，例如，與鄰接表面形成緊密接觸及形成薄的粘合線的能力。

　　測定熱傳導率有很多測試方法，不同的測量技術得到的數(shù)值也不同。即使使用相同的測試方法，數(shù)值也會隨著設備和測試條件(如溫度和壓力)的不同而不同。由于這些差異，規(guī)定一個給定的傳導率需要準確確定熱傳導率是如何測量的—甚至要具體到指定測試設備的具體制造商和型號。盡管熱傳導率是材料的固有性能，但報道值變化很大，且不應把采用不同的測量技術獲得的數(shù)據(jù)進行比較。

　　在沒有實時測試實際工作器件能力的情況下，使用逼真模擬實際工作環(huán)境的測試方法對于產(chǎn)品選擇和比較而言非常重要。
 
　　未來的TIM

　　很多研究者認為，汽車電子器件的熱控制問題正進入一個關鍵階段，這促使越來越多超高導熱材料的開發(fā)，從而可能實現(xiàn)優(yōu)異的熱傳導率、可控CTE、高強度和更低的成本。[1]

　　為適應不斷出現(xiàn)的新應用千差萬別的需求，越來越多類型的材料和外觀尺寸也相繼出現(xiàn)。這些材料拓寬了應用于各種電子器件的選擇方案，幫助制造商在ABS/ESP、車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)、變速控制單元、混合動力汽車的逆變器和控制器及其他許多汽車電子新應用中實現(xiàn)新的物理和電氣性能水平。新產(chǎn)品需要滿足流動要求、成本參數(shù)和常用的介電性能標準，以及更高層次的熱傳導率水平。雖然這些目標中有些看起來是相互矛盾，但實現(xiàn)它們的新技術已進入開發(fā)階段。

　　參考文獻：

　　1.  Zweben, Carl, “Revolutionary Advancements In Thermal Management Materials,” CoolingZone, June 13, 2005.