導熱墊在機載電子設備中的選擇與應用

楊龍, 王婉人, 任召

（西安航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

隨著元器件功耗的增加，僅依靠元器件與印制板接觸面的傳導和非接觸面的輻射的自然散熱已經不能滿足元器件的散熱需求，自然散熱對元器件的熱流密度有嚴格限制[1]。為提升散熱效率，就需要增加元器件的散熱面積，以及選擇其它（如強迫風冷、液體冷卻等）更高效的散熱方式，這些措施都需要使發熱元器件與散熱器接觸以傳遞熱量。當兩個粗糙表面相互接觸時，即使在10 MPa量級的接觸壓強下，真實的接觸面積也僅占名義接觸面積的1%～2%[2]，其余的間隙部分是空氣，而空氣的導熱系數非常小，僅有0.024 W/m·K，因此就造成了比較大的接觸熱阻。而使用熱界面材料就可以填充這個空氣隙，可降低接觸熱阻，提高散熱性能，同時避免了元器件與散熱器剛性接觸導致的干涉問題。

常用的熱界面材料包括導熱墊片、導熱凝膠、導熱硅脂、導熱灌封膠、導熱環氧膠等[3]。基于機載電子設備對可靠性和一致性的高度要求，導熱墊由于操作工藝簡單、性能穩定從而得到了廣泛的應用。導熱墊的組成采用高分子材料為基體，填充導熱顆粒從而形成復合材料。基體一般選用硅油、橡膠和樹脂類材料，導熱顆粒則包括金屬填料、陶瓷顆粒及碳材料等。其中金屬填料會導致復合材料的導電性能提高，在對絕緣性能要求高的電子設備中需對金屬進行預處理。陶瓷顆粒生成的復合材料一般導熱系數較低、絕緣性能高。碳材料一般在特定方向具有較高導熱率，需要控制填料取向。不同的導熱墊具備不同的物理特性，適應于不同的環境條件。本文以機載電子設備典型環境為輸入，分析了導熱墊的選用方法，以及導熱墊在使用過程中應注意的問題。

1 機載電子設備的典型環境要求

機載電子設備應用環境較為惡劣，主要體現在高低溫環境要求、振動要求及氣候防護要求等。

1.1 溫度環境要求

機載電子設備高溫一般要求滿足70 ℃環境溫度，此時元器件殼溫可能達到125 ℃。低溫要求為-55 ℃，這就要求導熱墊使用溫度環境要超出-55～125 ℃的溫度范圍。同時，長期在高溫或低溫環境下工作，導熱墊作為高分子聚合物，性能可能會下降。基于機載電子設備對可靠性和壽命的高要求，導熱墊性能應盡可能保持穩定，避免因長期使用而導致性能下降。

1.2 振動環境要求

機載電子設備需要隨飛機經歷各種振動環境，其中包括運輸、加速度、沖擊、隨機振動、跌落等。導熱墊在機載電子設備全壽命周期內，不能出現脫落、分層或導熱性能下降等問題。

1.3 氣候環境要求

機載電子設備面臨復雜而嚴酷的氣候環境要求，包括鹽霧、霉菌、濕熱、砂塵、淋雨、流體污染等。雖然導熱墊一般不會直接面對這些惡劣環境，但也應具備相應的抗惡劣氣候環境能力，避免在受到間接影響后失效。

2 導熱墊選用

導熱墊選用主要是以性能指標為基礎。導熱墊性能主要分為熱性能、電性能、力學性能，以及氣候環境適應性等。

2.1 熱性能相關指標

典型的導熱墊使用場景如圖1所示。

圖1 導熱墊使用場景

從圖1 可以看出，元器件產生的熱量通過導熱墊傳遞到散熱器。根據熱流傳遞基本公式：Q=KAΔt/L，其中在元器件確定的情況下，Q（功耗）及A（元器件面積）為定值。Δt與導熱墊的導熱系數成反比，與厚度成正比。由于熱量經過導熱墊片后，傳熱界面突然擴大，熱流密度快速衰減，因此導熱墊的熱阻對散熱有重大影響[4]。原則上導熱墊選擇時應盡量選用導熱系數高的產品，以及厚度較薄的導熱墊。

在實際應用中，首先應注意到導熱材料的熱阻值同厚度并不是完全成正比關系。這是因為導熱材料大都不是單一成分組成，相應會有非線性變化。厚度增加，熱阻值一定會增大，且不一定是完全成正比的線性關系，可能是更陡的曲線關系，因此厚度對散熱影響較大。但是，由于導熱墊存在一定的厚度規格，壓縮率一般也不宜太大，選用導熱墊厚度時應綜合考慮元器件焊接誤差、散熱器加工誤差等，應確保導熱墊變形能覆蓋整個尺寸鏈的誤差，因此設計導熱墊厚度時也應綜合考慮各種因素影響。

從導熱系數方面，目前主流的導熱墊廠家提供的產品導熱系數一般為5 W/（m·K）和8 W/（m·K），最高可達15 W/（m·K）。

2.2 電性能

電性能主要包括擊穿電壓、電氣強度、體積電阻率等。由于導熱墊直接與結構件和散熱器接觸，而散熱器一般為金屬材料，元器件殼體如果為金屬封裝，就可能出現短路現象。因此，導熱墊應具備一定的絕緣能力。考慮機載電子設備常用電壓包括270、115 V等，一般要求導熱墊擊穿電壓在5000 V以上，電氣強度在10 kV/mm以上，以確保元器件與散熱器的可靠絕緣。

2.3 力學性能

力學性能包括硬度、密度、撕裂強度、壓縮永久變形（常溫/高溫/低溫）、壓縮率、高溫性能、低溫性能、溫變性能、阻燃等級等。目前國產導熱墊密度在2.5～3.5 g/cm3之間，考慮機載電子設備一貫以來的減重需求，盡量選用低密度導熱墊。硬度指標（shore 00）范圍較大，邵氏硬度一般在30～80之間。硬度指標直接與導熱墊變形過程中產生的壓力相關，因此盡量選用硬度較低的產品。撕裂強度代表了材料的強度和反復拆卸時的抗破壞能力，一般指標在0.4～0.6 kN/m，選用時應盡量考慮強度較大的產品。壓縮永久變形代表導熱墊壓縮后的回彈能力，分別在125、-55及23 ℃環境下，壓縮率為25%，壓縮時間24 h，釋放應力后30 min進行測試。目前國產導熱墊壓縮永久變形在40%～65%之間，因此不建議對導熱墊進行重復使用。壓縮率一般在20 psi壓力及30 s時間后進行測量，代表了導熱墊變形能力，一般應選用壓縮率較高的產品。高溫性能是指導熱墊在125 ℃環境下500 h/1000 h后的熱阻，低溫性能是-55 ℃環境下500 h/1000 h后的熱阻，溫度變化性能是指從-55～125 ℃、升降溫速率為10 ℃/min，極限溫度停留時間30 min，總共500 h/1000 h后的熱阻。此3項指標代表導熱墊抗高低溫及溫度變化能力，一般應選取指標變化較小的產品。同時，導熱墊應滿足機載設備中對材料的阻燃等級要求。

2.4 氣候環境適應性

氣候環境適應性包括鹽霧、霉菌、濕熱、淋雨、流體污染、砂塵等性能，主要證明產品滿足全壽命周期的使用要求。由于導熱墊片一般安裝在模塊內部，不直接面對氣候環境，因此該項性能可隨整機進行測試。同時，也可按相應國軍標單獨完成如鹽霧96 h、濕熱28 d或霉菌10 d等試驗，完成后對導熱墊性能進行熱阻測試。完成試驗后的導熱墊片導熱性能都存在不同程度的降低，應選取性能變化較小的導熱墊片。

3 導熱墊使用研究

在使用導熱墊前，首先應裁剪成與元器件尺寸相同的形狀，以便在導熱墊貼合元器件后，充分利用元器件的散熱面。在使用導熱墊過程中，主要考慮兩個與使用相關的問題：一是導熱墊在壓縮過程中對元器件產生的壓力，合適的安裝間隙和壓縮率設計是保證元器件長期穩定工作的重要因素。另一個問題是為固定導熱墊和更好地填充間隙，導熱墊本身存在一定的黏性，在長時間使用后分離散熱器與元器件時，會產生的一定的應力，該應力可能導致元器件焊點開裂等故障。

3.1 壓力

在導熱墊壓縮過程中，會產生一定的壓力。同時，元器件承受壓力也是有一定的要求。以某CPU器件為例，元器件手冊中規定的器件最大許用應力為45 N。根據器件的面積算出器件的最大許用壓強為36.7 psi（253 kPa）。

根據導熱墊選用方法，在確定導熱墊型號后，可從手冊中獲得其壓縮應力曲線。以CHLT系列導熱墊為例，其壓縮應力曲線如圖2所示。

圖2 CHLT導熱墊的壓縮應力曲線

根據器件最大許用壓強36.7 psi，查導熱墊的壓縮應力曲線，得到導熱墊的最大許用壓縮率為27%，因此導熱墊厚度設計時，最大壓縮率就不能超過27%。此時，如果選擇1.5 mm厚度規格的導熱墊，安裝壓縮率選擇為20%，導熱墊預留間隙可設計為1.2 mm。0.3 mm的間隙需滿足結構件尺寸公差、元器件高度公差、焊接公差等要求，保證導熱墊能夠與器件可靠接觸，同時不至于產生更大的壓力。其中元器件高度范圍在器件手冊一般都比較大，導熱墊變形無法滿足該尺寸，因此需對不同批次元器件進行測量，確定焊接高度誤差。另外，結構設計中應避免尺寸鏈中引入其它變量（如印制板厚度等）因素。

為降低導熱墊壓縮應力，可采取導熱墊中間開槽的形式。一般而言，在導熱墊面積大于20 mm×20 mm時，就可在導熱墊中心位置設計開槽，推薦開槽寬度為1 mm，形狀根據導熱墊外形確定。表1為某型40 mm×40 mm導熱墊在不同厚度的情況下，中心開寬度為1 mm×30 mm的十字槽時，不同壓縮率產生的壓力對比如表1所示。

表1 導熱填充材料開槽與無槽壓縮應力對比 kN

通過測試可以看出，對導熱填充材料中部開槽可以有效地降低導熱填充材料壓縮所產生的應力。因此，在元器件對壓力較為敏感的情況下，可通過導熱墊開槽的方式降低壓縮應力，具體開槽尺寸和效果可通過測試進行驗證。

3.2 分離應力

為保證導熱墊片與元器件或散熱器良好地接觸及固定，導熱墊本身存在一定的黏性。長期使用后會導致元器件與導熱墊、散熱器與導熱墊緊密接觸，在拆卸過程中會產生一定的應力。因此，在使用過程中需要分析測試導熱墊的分離強度，判斷對元器件的影響。以某型導熱墊為例，將導熱墊制作成30 mm×30 mm大小的樣品，在對其進行壓縮變形20%，同時保持24 h后，采用拉力計測試其在常溫下不同厚度條件下的分離力，如表2所示。測試1.5 mm厚的導熱墊在不同溫度條件下的分離強度，如表3所示。

表2 厚度對分離強度的影響

表3 溫度對分離強度的影響

從測試結果可以看出：1）導熱墊分離強度與厚度相關，但并非正比關系；2）升溫會使導熱墊分離強度增高，不利于拆卸，因此建議在常溫進行導熱墊的拆卸。

根據測試所得拉力，可通過有限元仿真的方式，判斷其對元器件的影響。建立標準印制板組件模型（如圖3），印制板尺寸為60 mm×60 mm×2 mm，元器件尺寸為40 mm×40 mm×3 mm，焊點材料為63Sn37Pb，焊盤為銅。印制板四角約束，元器件頂部施加分離力，仿真印制板組件受力。其材料屬性如表4所示，選擇3種不同的導熱墊分離力，仿真結果如表5所示。

表4 材料物性

表5 不同導熱墊印制板組件受力

以BGA器件允許的最大印制板應變為6×10-4作為合格 判 據[5]，可 發現A導熱墊的印制板應變和焊點應力小于判據，滿足要求。B導熱墊的印制板應變和焊點應力等于判據，沒有安全裕量。C導熱墊印制板應變和焊點應力大于判據，有損傷風險。

從仿真結果可以看出，如果導熱墊分離力過大，確實存在對元器件造成損傷的風險，設計時應重點考慮。因此，在導熱墊選擇時，首先可考慮選擇單面帶膠的導熱墊，可有效降低分離應力。其次對導熱墊的黏性進行評估，在設計時通過測試和仿真選擇黏性較低的產品。

4 結語

導熱墊可有效改善元器件與散熱器之間的熱傳導，對元器件長期穩定的工作和壽命起著至關重要的作用。導熱墊的技術發展也在不斷提升中，碳納米管、石墨烯等新型填充材料的不斷發展使導熱墊導熱性能不斷提升。

圖3 1/4印制板組件模型

機載電子產品作為一種特定環境下的電子設備，其對導熱墊的要求更為嚴苛。本文通過分析機載環境要求中溫度、振動、氣候等條件，結合導熱墊固有的熱性能、力學性能、電性能及氣候環境適應性能進行了分析，給出了導熱墊的選擇方法。同時，根據導熱墊使用中壓縮后壓力過大和拆卸應力問題，根據測試和仿真，給出了導熱墊開槽、選擇單面帶膠的導熱墊等解決措施，為導熱墊在機載環境中的正確選用提供了建議，為機載電子設備的長期穩定工作提供了支撐。