導熱墊使用問題的探討

摘 要：本文通過對導熱墊的特點和工作原理進行介紹，探討了造成導熱墊未能充分填充發熱芯片和散熱冷板之間的間隙的各種原因，并總結出導熱墊設計的方法，可指導導熱墊選用和設計，避免此類故障再次發生。

關鍵詞：導熱墊;散熱;填充

導熱墊是一種常見熱界面材料，由于它具有較高的導熱性能、可靠性、高填充性和維修性等優點，廣泛地應用于計算機、電信、電子等領域。導熱墊一般具有較高的彈性，可以對不同尺寸的間隙進行填充。但在實際使用過程中，經常發生導熱墊未能充分填充發熱芯片和散熱冷板之間的間隙，導致發熱芯片的熱量不能及時導出，從而引起設備故障。

1 導熱墊介紹

常見的導熱墊是由有機硅樹脂、導熱顆粒、粘接劑等物質組成的混合物，可在相對較低的壓力下可實現低界面熱阻性能，應用于發熱芯片與散熱冷板之間，可以有效排除空氣，降低接觸熱阻，達到提高散熱的效果。導熱墊具有一定的彈性，可以填充不同的間隙。導熱墊墊安裝在散熱冷板和發熱芯片之間，將芯片產生的熱量傳導至散熱冷板中，從而降低芯片的溫度。

導熱墊壓縮時會產生壓縮應力，壓縮應力隨著壓縮量的增大而增大，某型導熱墊的導熱系數如下表所示。在選用導熱墊時要注意導熱墊壓縮時的壓縮應力不應大于發熱芯片的最大需用壓力，否則會對芯片造成損傷。

在導熱墊設計時，發熱芯片頂部與散熱冷板之間的預留間隙尺寸是導熱墊正常工作的關鍵，理想情況下，預留間隙尺寸推薦設計為導熱墊壓縮25%后的厚度值。但在實際電子產品生產過程中，尤其是產品批量生產后，生產中各個環節均會產生一定的公差，在這些公差的綜合作用下，最終會導致導熱墊不能充分貼合，從而引發故障。下面就對造成這種故障的原因進行分析。

2 原因分析

2.1 芯片的高度誤差

芯片在出廠時，芯片的外形尺寸具有一定的公差，有的芯片公差范圍較大，有的芯片尺寸公差范圍較小。例如，根據電源芯片LTM4600HVIV的手冊可以查得，LTM4600HVIV芯片的高度最小值為2.72mm，最大值為2.92mm。根據AD581芯片手冊可查得，該芯片的高度最小值為4.19mm，最大值為4.70mm。

2.2 焊接工藝

芯片采用不同焊接工藝時，受焊料類型、焊接形式、焊接工藝、焊盤大小，焊球直徑等因素的影響，焊接后芯片的高度也存在差異。相同的BGA芯片在分別采用CBGA焊球形式焊接時和CCGA焊柱形式焊接時，焊接后芯片高度差異較大。即使選擇相同結構的CBGA結構，當采用有鉛共晶焊料和無鉛焊料進行焊接時，焊接后芯片高度也存在差異。在某些特定情況下，BGA芯片需要重新值球，焊球直徑的大小和焊盤的大小也影響芯片焊接后的高度。

2.3 散熱冷板的加工誤差

散熱冷板在加工時存在一定的加工誤差。雖然目前散熱板通常采用數銑加工，加工精度較高，但需要注意散熱冷板在設計時的尺寸標注，避免產生累計公差，參照參考文獻[1]。此外，由于散熱冷板一側需要銑出較多的散熱翅片，用于增大散熱面積，這樣散熱冷板一側的銑削量較大，散熱板在冷加工后易產生翹曲變形，導致散熱面的平面度較差。在散熱冷板設計時要注意避免這種翹曲變形。

2.4 導熱墊來料誤差

導熱墊在出廠時，導熱墊的外形尺寸存在一定公差范圍，我們這里特別關注導熱墊的在厚度方向公差范圍。例如Gap Pad系列導熱墊厚度的公差規定如下：當導熱墊厚度小于等于10mil時，導熱墊厚度公差為±1mil;當導熱墊厚度>10mil時，導熱墊厚度公差為±10%。此外，導熱墊在運輸和傳遞過程中，沒有專門的保護措施，經常層疊放置，導致處于底部的導熱墊承受了一定的壓力，產生塑性變形，使導熱墊厚度減小。

2.5 裝配問題

常用導熱墊的厚度主要有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等規格，這些不同規格的導熱墊外觀均一致，僅僅是厚度有差異，且差異很小。在實際使用過程中，很容易安裝了錯誤厚度的導熱墊，導致故障。

2.6 印制板加工

印制板加工不合格，局部翹曲變形較大也可能導致導熱墊和散熱芯片不緊密貼合。

3 導熱墊設計方法

綜合以上分析，在導熱墊設計時，需要考慮元芯片、散熱冷板、導熱墊和印制板等諸多因素，所以在導熱墊設計時要綜合考慮，一般情況下，導熱墊可按照以下方法進行設計：

第一步：查詢芯片手冊，得到芯片的最大許用壓強;

第二步：導熱墊選型，確定選用的導熱墊的類型和導熱系數，得到導熱墊的壓縮應力曲線;

第三步：根據芯片最大許用壓強值結合導熱墊的壓縮應力曲線，得到導熱墊的最大壓縮率;

第四步：根據導熱墊的最大壓縮率，選擇導熱墊的厚度，從而得到導熱墊的預留間隙值，導熱墊壓縮率推薦不小于25%;

第五步：根據導熱墊的預留間隙值，設計散熱板尺寸，注意避免累積誤差和翹曲編寫;

第六步：在根據元芯片厚度公差和車間加工水平，計算出芯片焊接后高度的變化范圍，對芯片焊接后高度的變化范圍劃分區間，根據不同區間選擇不同厚度的導熱墊。

4 小結

總上所述，當電子產品進入大批量生產后，由于生產過程控制不嚴格、工藝控制不到位和操作人員水平不一等因素，造成導熱墊問題開始凸現。在導熱墊來料公差、焊接工藝、冷板平面度、芯片外形公差、印制板翹曲度等因素的累加作用下，會導致導熱墊在特定的條件下無法充分填充，從而導致故障發生。本文對這類故障的原因進行探討，并總結出導熱墊的設計方法，可以指導導熱墊的設計和選用，其它類型的熱界面材料也可參考。

參考文獻：

[1]任召，周堯，李曉明.熱界面材料的設計要點.機械工程師，2016（11）：170-171.

[2]江平開，陳金，黃興溢.高導熱絕緣聚合物納米復合材料的研究現狀.高電壓技術，2017（09）：2791-2799.

[3]胡思聰，吳豐順，莫麗萍，劉輝，周政.聚合物基熱界面材料的研究現狀.電子元件與材料，2018（12）：1-8.