有機(jī)硅熱接口材料在汽車電子器件中的應(yīng)用

　　汽車電子器件面臨著越來(lái)越多傳熱問(wèn)題的考驗(yàn)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)艙越來(lái)越小，而容納的部件數(shù)目卻日益增多，發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出比以往更高，這樣，便造成前艙空氣溫度升高。同時(shí)，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(diǎn)放在了這些電子器件中的熱接口材料(TIM)上。有機(jī)硅具有一系列獨(dú)特的物理和電氣性能，可有效促進(jìn)散熱。有機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)，市場(chǎng)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(yuǎn)高于以往的設(shè)計(jì)，且封裝體積一般很小。例如，典型的ABS/ESP控制單元在上世紀(jì)80年代剛推出時(shí)采用的是大PCB設(shè)計(jì)，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(jiàn)圖1)。

　　熱量最終必須從PCB或混合電路板上的產(chǎn)生源傳導(dǎo)到電子模塊外的環(huán)境空氣中。一般通過(guò)設(shè)計(jì)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(jiàn)圖2)。由于環(huán)境空氣及內(nèi)部較高的溫度會(huì)嚴(yán)重降低電子設(shè)備的可靠性、壽命和性能，因此，設(shè)計(jì)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(dǎo)出來(lái)。

　　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(gè)導(dǎo)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(yīng)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(shuō)明了TIM目前及未來(lái)在汽車上的各種應(yīng)用。

　　特性與性能

　　確定使用哪種TIM時(shí)，需要綜合平衡熱性能、物理性質(zhì)、加工簡(jiǎn)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(guò)銅的地線板和散熱通孔散熱。車窗控制器和電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置等中等功率的電器，或混合動(dòng)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(dǎo)熱基板。在要求更強(qiáng)的熱控時(shí)，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(dǎo)率、TIM/基板界面的接觸熱阻及鍵合線厚度(BLT) 等。材料開(kāi)發(fā)中，通常需要達(dá)到高本體熱傳導(dǎo)率、低BLT(<100mm)、高介電強(qiáng)度、低界面電阻和長(zhǎng)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(gè)重要特性，不管是對(duì)于更換型材料還是預(yù)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(wú)需使用金屬填料)是實(shí)現(xiàn)更高熱傳導(dǎo)率需要克服的障礙之一。

　　導(dǎo)熱有機(jī)硅

　　有機(jī)硅長(zhǎng)期以來(lái)在汽車應(yīng)用中被用作傳熱材料。作為TIM，它們具有諸多優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)優(yōu)異的表面接觸和無(wú)孔隙界面，因而它們常常是TIM的首選。而且固化后的有機(jī)硅材料具有廣泛的物理性能，可適應(yīng)各種具體的應(yīng)用。 

　　固化的有機(jī)硅在化學(xué)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(yùn)行環(huán)境的材料之一。由于模量很低，有機(jī)硅TIM具有足夠的柔性，可適應(yīng)不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)，傳遞到部件或基板的應(yīng)力達(dá)到最小。

　　有機(jī)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(gè)電路組件，以最大程度提高熱傳遞(通常為多個(gè)方向)，并為器件或電路提供一定程度的物理保護(hù)。灌封劑固化為耐久的彈性橡膠，提供更大的物理保護(hù)，而更軟的凝膠則可更多地減緩熱膨脹和機(jī)械應(yīng)力。這些可流動(dòng)的液體也可用作填隙料，或用來(lái)連接電路和熱沉，便于自動(dòng)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(jī)械強(qiáng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)，因而，增強(qiáng)了電子器件的設(shè)計(jì)靈活性。同樣，在不能嚴(yán)格控制零件的平面度和裝配公差時(shí)，它們還能提高生產(chǎn)的可靠性和成本效率。有機(jī)硅配方一般為沒(méi)有腐蝕性的熱固化材料，在加工過(guò)程中不會(huì)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(jié)構(gòu)膠使用，而無(wú)需機(jī)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(jī)硅可為單組分或雙組分配方，具有熱固化或濕固化的機(jī)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(jī)硅配方甚至有微隔離珠，以實(shí)現(xiàn)十分均勻的鍵合線，同時(shí)為底板的偏差和小的彎曲留有余地。可流動(dòng)的材料也可作為導(dǎo)熱灌封劑使用。

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

　　填隙料

　　接口材料的一個(gè)關(guān)鍵功能是完全填補(bǔ)任何不規(guī)則表面并將空氣排出。實(shí)際上，材料或復(fù)合材料的本體熱傳導(dǎo)率可能并不如流動(dòng)和潤(rùn)濕基板的能力重要。從熱傳導(dǎo)的角度來(lái)看，導(dǎo)熱油脂很適合TIM應(yīng)用，但是油脂在較高溫度下可能易被抽空，尤其是在經(jīng)過(guò)反復(fù)的熱循環(huán)后。

　　填隙料通過(guò)一種干法技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。它們通常比粘合劑軟，具有極好的應(yīng)力減緩能力，且一般比粘合劑產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)率更高。填隙料使用時(shí)，一般有機(jī)械固定，具有傳統(tǒng)油脂的性能優(yōu)勢(shì)，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(dòng)，它們還可在部件表面直接印刷和固化，或采用貼膜轉(zhuǎn)移工藝用作預(yù)固化墊片。

　　墊片

　　墊片形式的有機(jī)硅用于導(dǎo)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(jiǎn)便，而且具有良好的耐久性，是現(xiàn)有的少數(shù)可修補(bǔ)材料之一。極低模量的新有機(jī)硅墊片和TIM墊片形式的有機(jī)硅用于導(dǎo)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(jiǎn)便，而且具有良好的耐久性，是現(xiàn)有的少數(shù)可修補(bǔ)材料之一。極低模量的新有機(jī)硅墊片和TIM已顯示出可實(shí)現(xiàn)與許多液體配料相當(dāng)?shù)男阅?，且無(wú)需計(jì)量、混合或固化。 (見(jiàn)圖4)

　　實(shí)踐證明，導(dǎo)熱墊片作為TIM的導(dǎo)熱機(jī)理非常有效，且干態(tài)墊片形式具有使用簡(jiǎn)便，長(zhǎng)期穩(wěn)定的主要優(yōu)勢(shì)。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(shí)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(yīng)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(méi)有粘性的導(dǎo)熱涂層使一側(cè)不粘。

　　導(dǎo)熱材料比較

　　一般，人們?cè)诒容^導(dǎo)熱材料時(shí)只是簡(jiǎn)單地看本體熱傳導(dǎo)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(dǎo)率，還有其他幾個(gè)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(cè)定熱傳導(dǎo)率有很多測(cè)試方法，不同的測(cè)量技術(shù)得到的數(shù)值也不同。即使使用相同的測(cè)試方法，數(shù)值也會(huì)隨著設(shè)備和測(cè)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(gè)給定的傳導(dǎo)率需要準(zhǔn)確確定熱傳導(dǎo)率是如何測(cè)量的—甚至要具體到指定測(cè)試設(shè)備的具體制造商和型號(hào)。盡管熱傳導(dǎo)率是材料的固有性能，但報(bào)道值變化很大，且不應(yīng)把采用不同的測(cè)量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

　　在沒(méi)有實(shí)時(shí)測(cè)試實(shí)際工作器件能力的情況下，使用逼真模擬實(shí)際工作環(huán)境的測(cè)試方法對(duì)于產(chǎn)品選擇和比較而言非常重要。
 
　　未來(lái)的TIM

　　很多研究者認(rèn)為，汽車電子器件的熱控制問(wèn)題正進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵階段，這促使越來(lái)越多超高導(dǎo)熱材料的開(kāi)發(fā)，從而可能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的熱傳導(dǎo)率、可控CTE、高強(qiáng)度和更低的成本。[1]

　　為適應(yīng)不斷出現(xiàn)的新應(yīng)用千差萬(wàn)別的需求，越來(lái)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(yīng)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(dòng)力汽車的逆變器和控制器及其他許多汽車電子新應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)新的物理和電氣性能水平。新產(chǎn)品需要滿足流動(dòng)要求、成本參數(shù)和常用的介電性能標(biāo)準(zhǔn)，以及更高層次的熱傳導(dǎo)率水平。雖然這些目標(biāo)中有些看起來(lái)是相互矛盾，但實(shí)現(xiàn)它們的新技術(shù)已進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。

　　參考文獻(xiàn)：

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