Выбор термоинтерфейсного материала: Спецификации, контрольный список и руководство по устранению неполадок

Эффективное управление тепловым режимом имеет решающее значение для надежности силовой электроники и высокопроизводительных печатных плат. Выбор термоинтерфейсного материала — это процесс подбора правильной среды для заполнения микроскопических воздушных зазоров между тепловыделяющим компонентом и радиатором, тем самым минимизируя тепловое сопротивление.

В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы отмечаем, что неправильный выбор ТИМ часто приводит к преждевременному выходу устройства из строя, даже если конструкция радиатора теоретически достаточна. Это руководство содержит технические критерии, правила и шаги по устранению неполадок, необходимые для выбора правильного материала для вашей сборки.

Краткий ответ (30 секунд)

Выбор правильного термоинтерфейсного материала (ТИМ) требует баланса между теплопроводностью, податливостью поверхности и толщиной клеевого слоя (BLT). Высокая проводимость бесполезна, если материал не может эффективно смачивать поверхность.

Приоритизируйте тепловое сопротивление: Обращайте внимание на тепловое сопротивление ($^\circ C \cdot in^2/W$), а не только на объемную теплопроводность ($W/m \cdot K$). Сопротивление учитывает контактное сопротивление и толщину.
Проверьте толщину клеевого слоя (BLT): Более тонкий слой, как правило, лучше для теплопередачи, но материал должен быть достаточно толстым, чтобы компенсировать неровности поверхности.
Проверьте электрическую изоляцию: Определите, должен ли ТИМ быть диэлектрическим изолятором для предотвращения коротких замыканий между компонентом и корпусом.
Учитывайте метод нанесения: Термопаста неаккуратна, но обеспечивает низкий BLT; прокладки стабильны, но имеют более высокое сопротивление; фазопереходные материалы (PCM) предлагают промежуточное решение.
Учитывайте возможность доработки: Если устройство требует обслуживания, избегайте постоянных клеев.
Соответствие твердости давлению: Используйте более мягкие материалы (низкий Shore OO) для монтажных зажимов с низким давлением, чтобы обеспечить адекватный контакт.

Когда применим выбор термоинтерфейсного материала (и когда нет)

Понимание того, когда применять строгие критерии выбора, предотвращает избыточное проектирование и снижает затраты на спецификацию (BOM).

Когда требуется строгий выбор

Компоненты с высокой плотностью мощности: Процессоры, графические процессоры, IGBT и MOSFET, где тепловой поток превышает 5 Вт/см².
Шероховатые или неровные поверхности: Когда сопрягаемые поверхности имеют высокую шероховатость ($R_a > 1.6 \mu m$) или плохую плоскостность, требуя заполнителя зазора для вытеснения воздуха.
Требования к электрической изоляции: Когда радиатор заземлен, но корпус компонента несет напряжение (например, корпуса TO-220).
Суровые условия эксплуатации: Автомобильные или аэрокосмические приложения, требующие стабильности при термическом циклировании и вибрации.
Печатные платы с металлическим сердечником: При сопряжении печатной платы на алюминиевой или медной основе с шасси.

Когда достаточно стандартного TIM или его отсутствие

Низкопотребляющая логика: Микроконтроллеры или чипы памяти, рассеивающие < 1 Вт, часто полагаются на естественную конвекцию или проводимость через выводы печатной платы.
Паяные тепловые интерфейсы: Если тепловая площадка компонента припаяна непосредственно к печатной плате (с использованием тепловых переходных отверстий), припой действует как интерфейс.
Герметично запечатанные корпуса: В некоторых специфических ВЧ-конструкциях, где излучение является основным режимом охлаждения (редко).
Бюджетные потребительские игрушки: Где требования к сроку службы компонентов низки, и тепловое дросселирование приемлемо.

Правила и спецификации

В следующей таблице приведены критические параметры для выбора теплопроводящего материала. Инженеры должны проверять эти значения по техническим паспортам.

Правило / Параметр	Рекомендуемое значение / Диапазон	Почему это важно	Как проверить	Если проигнорировать
Теплопроводность	> 1.0 Вт/м·К (Стандарт) > 3.0 Вт/м·К (Высокая производительность)	Определяет скорость теплопередачи через основной материал.	Метод испытаний ASTM D5470 в техническом паспорте.	Компонент перегревается под нагрузкой; происходит тепловое дросселирование.
Тепловое сопротивление	< 0.5 $^\circ C \cdot in^2/W$	Общее сопротивление, включая контактные поверхности. Более реалистично, чем проводимость.	Тестирование в приложении с термопарами.	Фактическая эффективность охлаждения будет ниже расчетной.
Толщина клеевого слоя (BLT)	Мин: 20-50 $\mu m$ (Смазка) Макс: Зависит от зазора	Более тонкие слои уменьшают длину пути теплового сопротивления.	Измерение микрометром после сжатия.	Высокое тепловое сопротивление; тепло задерживается у источника.
Диэлектрическая прочность	> 3 кВ/мм (если требуется изоляция)	Предотвращает электрическую дугу между компонентом и радиатором.	Данные испытаний ASTM D149.	Короткие замыкания; катастрофический отказ устройства; угроза безопасности.
Объемное сопротивление	> $10^{12}$ Ом·см	Гарантирует, что материал действует как электрический изолятор.	ASTM D257.	Утечка сигнала или короткие замыкания в чувствительных цепях.
Твердость по Шору	Шор 00 10-60 (Заполнители зазоров)	Более мягкие материалы лучше прилегают к неровным поверхностям при низком давлении.	Дюрометр.	Плохой контакт; остаются воздушные карманы; высокое термическое сопротивление.
Диапазон рабочих температур	от -40°C до +125°C (Типично)	Материал не должен чрезмерно деградировать, высыхать или плавиться.	Обзор технического паспорта по сравнению с профилем миссии.	Материал вытекает, трескается или теряет свойства со временем.
Газовыделение (TML)	< 1.0% (Аэрокосмическая/Оптическая)	Летучие компоненты могут конденсироваться на линзах или датчиках.	ASTM E595.	Запотевание оптики; загрязнение соседних контактов.
Вязкость / Тиксотропия	Зависит от применения	Влияет на дозируемость и устойчивость к выдавливанию во время циклирования.	Данные реометра.	Дозирующее оборудование забивается или материал стекает с прокладки.
Срок хранения	> 6 месяцев	Гарантирует стабильность свойств материала перед сборкой.	Код даты изготовления.	Материал расслаивается или затвердевает в тюбике/рулоне перед использованием.

Шаги реализации

Правильная реализация так же важна, как и выбор материала. Следуйте этому процессу, чтобы убедиться, что выбранный ТИМ работает должным образом.

Определить тепловой бюджет:
- Действие: Рассчитайте максимально допустимую температуру корпуса ($T_c$) и температуру окружающей среды ($T_a$). Определите максимально допустимое тепловое сопротивление ($\theta_{CA}$) для системы.
- Ключевой параметр: Максимальное тепловое сопротивление ($^\circ C/W$).
- Проверка приемлемости: Расчетное $\theta_{TIM}$ должно быть меньше допустимого бюджета.
Метрология и подготовка поверхности:
- Действие: Измерьте плоскостность и шероховатость как компонента, так и радиатора. Очистите поверхности изопропиловым спиртом (ИПС) для удаления масел.
- Ключевой параметр: Шероховатость поверхности ($R_a$) и плоскостность ($mm/mm$).
- Проверка приемлемости: Поверхность свободна от пыли, жира и окисления.
Выбрать форм-фактор материала:
- Действие: Выберите между пастой (наименьшее сопротивление), прокладкой (простейшая сборка) или материалом с фазовым переходом (высокая производительность, меньше беспорядка).
- Ключевой параметр: Производительность сборки против производительности.
- Проверка приемлемости: Выбранный форм-фактор совместим с производственной линией (например, автоматическое дозирование против ручной установки).
Применение ТИМ:
- Действие: Нанесите материал. Для пасты используйте трафарет или специфический шаблон (X-образный или точечный) для предотвращения захвата воздуха. Для прокладок удалите защитные пленки.

Ключевой параметр: Площадь покрытия (цель: >95% после сжатия).
- Проверка приемки: Отсутствие видимых пузырьков воздуха; материал покрывает область кристалла источника тепла.

Применить монтажное давление:
- Действие: Закрепите радиатор с помощью винтов, зажимов или пружин. Приложите крутящий момент в соответствии со спецификацией для достижения целевой толщины клеевого слоя.
- Ключевой параметр: Монтажное давление (фунт/кв. дюйм или кПа).
- Проверка приемки: Давление равномерное; печатная плата не деформирована чрезмерно.
Проверить производительность (термическое профилирование):
- Действие: Запустите устройство на полной нагрузке. Измерьте $T_{case}$ и $T_{sink}$ с помощью термопар.
- Ключевой параметр: $\Delta T$ (Повышение температуры).
- Проверка приемки: $\Delta T$ на интерфейсе соответствует прогнозируемому тепловому сопротивлению.
Тестирование надежности:
- Действие: Подвергните сборку термическим циклам (например, от -40°C до +85°C) для проверки на вымывание или расслоение.
- Ключевой параметр: Снижение производительности в течение циклов.
- Проверка приемки: Тепловое сопротивление остается стабильным в пределах 10% от начального значения.

Режимы отказа и устранение неисправностей

Даже при правильном выборе термоинтерфейсного материала во время работы могут возникать сбои. Используйте эту таблицу для диагностики проблем.

Симптом	Вероятная причина	Диагностическая проверка	Исправление	Предотвращение
Немедленный перегрев при запуске	Захват воздуха или недостаточное покрытие.	Снять радиатор и осмотреть рисунок ТИМ. Искать сухие пятна.	Повторно нанести ТИМ, используя правильный рисунок (например, X-образный) или увеличить объем.	Использовать трафареты для пасты; убедиться, что прокладки имеют правильный размер.
Перегрев после недель эксплуатации	Эффект "выдавливания".	Осмотреть края интерфейса. Искать миграцию пасты.	Переключиться на материал с фазовым переходом (PCM) или высокотемпературную пасту.	Выбирать ТИМ с высоким тиксотропным индексом для циклических нагрузок.
Внезапное электрическое короткое замыкание	Диэлектрический пробой или прокол проводящей частицей.	Проверить радиатор на наличие заусенцев; проверить непрерывность.	Удалить заусенцы с радиатора; перейти на более толстую, армированную прокладку (например, армированную стекловолокном).	Указать напряжение пробоя > напряжение системы с запасом прочности.
Деформация печатной платы / Разрушение BGA	Чрезмерное монтажное давление или твердый ТИМ.	Измерить прогиб печатной платы; проверить твердость ТИМ.	Использовать более мягкий заполнитель зазоров (с меньшей твердостью по Шору 00); уменьшить крутящий момент.	Моделировать усилие зажима при проектировании; использовать подпружиненные винты.
Сухой, потрескавшийся материал	Испарение растворителя (Высыхание).	Визуальный осмотр; материал крошится.	Заменить на состав без растворителей или без силикона.	Убедиться, что максимальная рабочая температура соответствует окружающей среде.
Высокое термическое сопротивление	Слишком толстый BLT.	Измерить толщину ТИМ после сжатия.	Увеличить монтажное давление или перейти на материал с меньшей вязкостью.	Спроектировать крепление радиатора для обеспечения параллельного, плотного зазора.
Миграция силиконового масла	Выделение силикона.	Проверить окружающие компоненты на наличие маслянистых остатков.	Очистить плату; перейти на несиликоновый ТИМ.	Использовать составы с "низким выделением" для чувствительных оптических/контактных областей.
Непостоянное охлаждение в партии	Переменное монтажное давление.	Проверить калибровку динамометрического ключа.	Стандартизировать настройки крутящего момента и последовательность затяжки винтов.	Внедрить автоматизированное завинчивание с контролем крутящего момента.

Проектные решения

При доработке проекта инженеры должны взвешивать компромиссы между производительностью, технологичностью и стоимостью.

Термопаста против прокладок против фазового перехода

Термопаста: Обеспечивает наименьшее термическое сопротивление и самый тонкий BLT. Однако она грязная, ее трудно автоматизировать без дозирующих роботов и она подвержена эффекту "pump-out". Лучше всего подходит для ЦП и высокой плотности мощности.
Термопрокладки (заполнители зазоров): Легко обрабатываются и перерабатываются. Они могут заполнять большие, переменные зазоры, вызванные накоплением допусков. Однако они имеют более высокое термическое сопротивление из-за своей толщины. Лучше всего подходят для модулей памяти, VRM и неровных поверхностей.
Материалы с фазовым переходом (PCM): Твердые при комнатной температуре (легко обрабатываются), но плавятся при рабочей температуре (низкое сопротивление). Они предлагают производительность, близкую к термопасте, с удобством прокладки. Требуется цикл "обкатки" для активации.

Электрическая проводимость

Большинство применений требуют электрически изолирующих ТИМ для предотвращения коротких замыканий. Однако, если компонент и радиатор имеют общий потенциал заземления, электрически проводящие ТИМ (часто с наполнителем из серебра или графита) могут быть использованы для превосходной тепловой производительности. Всегда проверяйте требования к пробивному напряжению перед выбором проводящего материала.

Совместимость с подложкой

Подложка печатной платы влияет на выбор ТИМ. Для стандартного FR4 ключевым является гибкость. Однако при работе с керамикой необходимо учитывать профиль оплавления и термический профиль для керамических подложек, если ТИМ предварительно нанесен или если сборка подвергается последующему нагреву. Керамика хрупкая; слишком твердый ТИМ в сочетании с высокой силой зажима может привести к растрескиванию подложки. Аналогично, термическое профилирование плат с большой массой имеет важное значение для обеспечения того, чтобы теплоемкость платы не препятствовала достижению ТИМ (особенно PCM) температуры фазового перехода во время первоначальной обкатки или эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы

В: В чем разница между теплопроводностью и тепловым сопротивлением? Теплопроводность — это свойство объемного материала (Вт/м·К). Тепловое сопротивление (импеданс) — это фактическое сопротивление в применении ($^\circ C \cdot in^2/W$), учитывающее толщину материала и контактное сопротивление на границах раздела. Импеданс является более практичным показателем для выбора.

В: Могу ли я повторно использовать термопрокладки или термопасту после снятия радиатора? Нет. Термопаста смещается и загрязняется при удалении. Прокладки подвергаются остаточной деформации сжатия и не будут идеально прилегать во второй раз, что приведет к образованию воздушных зазоров. Всегда очищайте и заменяйте ТИМ во время доработки.

В: Какое давление следует прикладывать к ТИМ? Обратитесь к кривой "Деформация в зависимости от давления" производителя. Обычно 10-50 фунтов на квадратный дюйм (psi) достаточно для мягких заполнителей зазоров. Чрезмерное давление может повредить печатную плату или компонент.

В: Почему иногда требуется ТИМ без силикона? Силиконовое масло может мигрировать (выделяться) и загрязнять электрические контакты или оптические линзы. В чувствительных автомобильных, аэрокосмических или оптических приложениях несиликоновые (на основе акрила или уретана) ТИМ являются обязательными.

В: Всегда ли более высокий показатель Вт/м·К означает лучшее охлаждение? Не обязательно. Твердый материал с 10 Вт/м·К, который плохо смачивает поверхность, может работать хуже, чем мягкий материал с 3 Вт/м·К, который обеспечивает очень тонкий клеевой слой и устраняет все воздушные зазоры.

В: Как выбрать ТИМ для сред с высокой вибрацией? Избегайте низковязких смазок, которые могут выдавливаться. Используйте клейкие ленты, сшитые гели или фазово-переходные материалы (PCM), которые затвердевают при более низких температурах для поддержания структурной целостности.

В: Каково влияние шероховатости поверхности на выбор ТИМ? Более шероховатые поверхности требуют более толстых, мягких ТИМ для заполнения неровностей. Если поверхность отполирована (зеркальная отделка), оптимальным является очень тонкий слой смазки или фазово-переходного материала.

В: Как "термическое профилирование плат с большой массой" связано с ТИМ? Платы с большой массой (толстая медь, много слоев) сами по себе действуют как радиаторы. При тестировании ТИМ необходимо убедиться, что тепловой профиль учитывает тепловую инерцию платы для точного измерения стационарного температурного градиента через ТИМ.

В: Что насчет "пайки оплавлением и термического профиля для керамических" плат? Керамические платы эффективно рассеивают тепло, но они хрупкие. Если ТИМ наносится до пайки оплавлением (редко, но возможно для некоторых дозаторов), он должен выдерживать температуры оплавления. Чаще всего профиль гарантирует, что керамика не подвергнется шоку, а ТИМ, выбранный после оплавления, должен учитывать более низкий КТР керамики по сравнению с металлическим радиатором.

В: Как очистить старый ТИМ с поверхности? Используйте пластиковый скребок для удаления основной массы, затем безворсовую ткань с изопропиловым спиртом (99% IPA). Избегайте металлических скребков, которые царапают поверхность.

В: Являются ли графитовые листы хорошей альтернативой? Графитовые листы обеспечивают отличное X-Y распространение (в плоскости), но могут быть анизотропными (более низкая проводимость по оси Z). Они электропроводны, поэтому используйте с осторожностью.

В: Каково типичное время выполнения заказа для термопрокладок, вырезанных по индивидуальному заказу? Стандартные листы часто есть в наличии. Изготовление нестандартных вырубных форм обычно занимает 1-2 недели для оснастки и производства. APTPCB может помочь с поиском поставщиков и сборкой.

Услуги по производству печатных плат – Изучите наши возможности для стандартных и высокотемпературных печатных плат.
Руководства по DFM – Разработайте свою плату для оптимизации теплового управления и сборки.
Варианты материалов – Выберите подходящую подложку (металлический сердечник, High-Tg) для дополнения вашей стратегии TIM.

Глоссарий (ключевые термины)

Термин	Определение
TIM	Термоинтерфейсный материал. Любой материал, вставляемый между двумя частями для улучшения тепловой связи.
BLT	Толщина клеевого слоя. Конечная толщина TIM после сборки и сжатия.
Теплопроводность (k)	Мера способности материала проводить тепло (Единица: Вт/м·К).
Тепловое сопротивление ($R_{th}$)	Сумма теплового сопротивления материала и контактных сопротивлений на границах раздела.
PCM	Материал с фазовым переходом. TIM, который меняет состояние с твердого на полужидкое при рабочей температуре.
Выдавливание	Физическая миграция смазки из интерфейса из-за циклов термического расширения и сжатия.
Твёрдость по Шору	Мера сопротивления материала вдавливанию. Меньшие числа указывают на более мягкие материалы.
Диэлектрический пробой	Напряжение, при котором изоляционные свойства ТИМ нарушаются, позволяя току течь.
Тиксотропный	Свойство, при котором жидкость становится менее вязкой (лучше течёт) под напряжением/сдвигом, но сохраняет форму в состоянии покоя.
КТР	Коэффициент теплового расширения. Скорость, с которой материал расширяется при нагревании.
Смачивание	Способность ТИМ растекаться по неровностям поверхности и поддерживать с ними контакт.
Заполнитель зазоров	Толстая, податливая прокладка, используемая для перекрытия больших зазоров между компонентами и шасси.

Заключение

Успешный выбор термоинтерфейсного материала — это не просто выбор наивысшего значения теплопроводности из технического паспорта. Он требует целостного подхода к механической конструкции, электрическим ограничениям и производственному процессу. Сосредоточившись на тепловом сопротивлении, толщине клеевого слоя и надёжности при циклических нагрузках, инженеры могут гарантировать, что их конструкции будут работать стабильно и надёжно.

Независимо от того, прототипируете ли вы мощный светодиодный массив или сложный блок управления, APTPCB поддерживает ваш проект от изготовления платы до сборки. Мы гарантируем, что тепловая стратегия, определённая в вашем проекте, будет точно реализована во время производства. Для помощи с вашим следующим высокотемпературным проектом, запросите коммерческое предложение сегодня.