利用GraphiteTIM来解决导热硅脂的课题
2019-04-15
前言
TIM（Thermal Interface Material：热界面材料），是通过填埋发热元件与散热片的间隙降低接触热阻来提高散热效果的一种材料。TIM中被最广泛使用的材料是导热硅脂，而导热硅脂面临着几大课题。
本文将介绍在逆变器等功率转换应用中使用的功率模块上，通过将TIM材料从导热硅脂替换为GraphiteTIM来解决课题的事例。
以导热硅脂为基础的热对策方案及其课题
功率模块的发热量通常较大，因而一般情况下采取将功率模块上安装散热片，将热量疏导散发出去的对策方案。在将散热片安装到功率模块上时，由于底板存在一些形变，如果直接对接，底板与散热片之间不可避免地会产生一些缝隙。因此，会因接触不充分而产生的接触热阻，无法充分发挥散热片的散热效果。
作为对策方案，如下图所示在底板与散热片之间涂布导热硅脂填埋缝隙，由此来减小接触热阻，改善散热效果。
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- 空隙产生的热阻偏差
- 由于导热硅脂的涂布量不足或均一性欠佳而造成缝隙没有被完全填充，造成热阻的偏差。
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- 挥发导致热阻增大
- 挥发是指导热硅脂的成分因热而挥发，并导致油和填充物分离的现象。一旦导热硅脂因挥发而劣化，导热硅脂就会变硬并成为开裂的状态，从而使接触热阻增大。
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- 泵出现象引起的热阻增大
- 如果长期使用，就会因底板的膨胀和收缩而引发润滑脂被逐渐挤出的泵出现象。因此，润滑脂厚度变薄而产生间隙，并使接触热阻增大。
挥发现象 
泵出现象 
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- 总成本增加
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为了避免空隙的发生，要均匀地涂布导热硅脂，必须引入专用的夹具或涂布装置，而且作业工时也会随之增多。
此外，为了应对挥发现象或泵出现象引发的性能劣化，必须定期进行维护(拆卸→清扫→涂布→组装)。
因此，尽管导热硅脂本身的成本低，但其总成本反而会增加。
利用GraphiteTIM解决课题的事例
通过取代导热硅脂，使用GraphiteTIM(石墨系热传导板)，则可解决前面列举的导热硅脂的各种课题。GraphiteTIM是热传导性优异的板状部件材料，是夹在发热体和散热片之间的TIM材料。虽然为了获得更好的热特性，需要加以充分的压力来夹紧，但是设置和处理起来非常简单，而且可靠性优异。下表中归纳比较了导热硅脂和GraphiteTIM的优缺点。
| 导热硅脂的课题 | 热传导板 GraphiteTIM |
|---|---|
| ① 发生的空隙引发的热阻偏差 | 以高压缩率吸收高度差，更稳定地实现与导热硅脂同等水平的热阻 |
| ② 挥发现象引发的热阻增大 | 超过400℃的耐热性，没有因高温而引起的劣化 |
| ③ 泵出现象引发的热阻增大 | 半永久性不会变化的物性 |
| ④ 总成本增加 |
只需置放即可简单安装，实现维护的简化 ⇒ 总成本低廉 |
右图为表示GraphiteTIM的加压压力和热阻的关系图。
可以得知GraphiteTIM是安装压力越高热阻越低，在较高压缩区呈现与导热硅脂同等的热阻。由此可见，GraphiteTIM作为导热硅脂的替代品来使用没有问题。
下表模拟了高温引起的挥发的试验结果。下图显示了各自的新品状态和使用10年后的模拟状态（150℃加热板30分钟放置）。GraphiteTIM没有发生高温引起的劣化，可解决挥发的课题。
总结
导热硅脂是具有较长历史，且在各种领域被广泛使用的TIM材料。但是，这种导热硅脂有可靠性低，总成本增加的课题。热传导板GraphiteTIM作为导热硅脂的替代品具备更加优异的性能和高可靠性，可解决导热硅脂面临的课题。
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这是本公司网站里「电路设计的最优解」的技术信息中，关于热对策的基础知识的相关内容整理后的资料。
