散热第一步是导热

本期给大家带来的是关于导热材料相关技术的研究内容，希望对大家有帮助。

随着电子产品，材料、结构、空间尺寸等限制，功率密度越来越大，对发热元器件的散热带来了挑战，所以有很多更高效的解决方案被挖掘，诸如热管、VC、叶脉冷泵系统等，能更快的将系统整体发热量带到外部。

根据整个散热系统路径，可以看出，最底层也是最基础的一环，其实是在元器件的导热部分，如果发热元器件的发热量不能有效的传递给散热端，即使外部散热能力再好，最终也会形成热堆积，导致元器件过热，影响其工作稳定性，甚至缩短使用寿命。

所以，解决整体系统热管理问题，除了要做整机热设计，我们还需要做的是根据项目的实际情况，比如空间尺寸限制、元器件功耗、振动、结构、电路设计、EMC等各维度的设计要求，来选择合适的导热方式，并进行导热材料的选型。

下面，以我之前做的一个新能源4KW非车载AC-DC充电机项目为例，给大家分析当时的热设计策略与材料选型依据。

需要仿真源文件、结构3D模型、仿真资料的自学研究的，可关注公众号“莱歌数字”，发送“充电机”，获取资料，配套仿真视频教程见B站（莱歌数字）

项目背景

给某新能源厂设计的一款非车载ACDC充电机，效率92%左右，已量产。
下面就该项目的结构、热管理、测试以及报告等多个方面，介绍完整的流程以及所使用的相关导热材料等内容。

结构设计

外壳采用SECC钣金件加工，该设备在室内使用，使用环境没有之前的3KW 车载充电机那么恶劣，防护等级IP33，进出风口有过滤棉，结合百叶窗的结构设计进行防护，如下图所示。


热设计
关于整机系统初始散热方式、风量评估的过程，本篇就不再追溯，大家感兴趣的可以看之前的文章。（关于电子产品中风扇应用的基础知识）
本项目主要发热部件有芯片、功率管（MOS）、变压器、整流桥、PCB板等，清单如下，


由于空间尺寸限制，以及产品使用的环境条件等要求，我们选择的导热方式是在MOS管与散热器直接加导热硅脂、铜片。
刚性固体接触面间会产生细小的缝隙。可以用柔性的介质填充这些缝隙，连接导热路径。这些柔性介质就是导热界面材料，包含导热衬垫（thermal pad）、导热硅脂（thermal grease）、导热凝胶（thermal gel）等。
我们当时对比了市面上的几种导热硅脂，通过样品申请测试对比，最终选定了合肥傲琪电子的产品。

导热硅脂是一种传统的导热材料，使用在发热部件与散热片之间达到良好的导热性和稳定性，同时对铜、铝散热器表面具有一定的充分填充。非常适合于一般CPU、GPU及其它发热功率器件的界面导热。



合肥傲琪的导热硅脂优势

• 硅脂由于粘度较低，能充分填充接触表面从而使界面热阻更低，所以能在最快的时间内将热量传递到散热装置界面，传热效率高。
  

• 涂抹于功率器件和散热器装配面，帮助消除接触面的空气间隙增大热量流通，减小接触热阻，降低功率器件的工作温度，从而进一步提高产品的使用寿命。
  

• 产品型号有多种规格可选择（导热系数1.0~5.0W/m.K）。
  

合肥傲琪电子的导热硅脂、导热硅胶片还应用于对芯片、主板、功率管（MOS）、变压器、模块、PCB板、铝基板、南桥、北桥、CPU、GPU、处理器、单片机等发热元器件的导热、散热解决方案。
涉及领域包含智能手机、便捷电子设备、充电器、网关、路由器、交换机、机顶盒、投影仪、电脑、笔记本、平板、LED照明、新能源汽车、无人机、电源、行车记录仪、航空航天、医疗设备、安防监控、5G基站、智能电视、雷达、军工电源、智能装备等通电、带电设备。

导热硅脂使用还需要注意热源面与散热端的安装方式、锁附机构等结构设计，
在此项目中，MOS管金属面涂抹导热硅脂，与散热器接触，用螺丝锁附，如下图所示，

需保证平行度、接触面平面度等，最直接的检测方法，可参考下面文章。（热润滑脂长期使用的可靠性分析）
导热界面材料所受的压力越大，材料的热阻越低，导热效果越好。但芯片的应力承受范围有限，过大应力会导致芯片压坏。芯片如果允许，尽可能采用大应力。
G-500、G-300的导热硅脂经过笔记本CPU实测的前后效果对比，如下图所示，
从图上前后对比可以看出，其导热硅脂在CPU与冷端面之间接触、导热的效果很好，究其原因，我们可以通过这两款导热硅脂的可靠性测试数据，如下图所示，
可以看出，G-300/G-500的最小界面厚度可达到7μm、25μm，热阻低至0.016和0.009。
另外，导热界面材料所受的压力越大，材料的热阻越低，导热效果越好。但芯片的应力承受范围有限，过大应力会导致芯片压坏。芯片如果允许，尽可能采用大应力。
芯片特别不耐压时，考虑更软的材料，避免由于压力过小导致界面间缝隙填充不严密。

之前的文章给大家分享过一些关于新能源车载3KW的AC-DC充电机的内容（新能源车载系统模块结构与热设计（IP67可靠性改良方法））
里面有就用到导热硅胶片，如下图所示，
我们来说说采用此导热方式的原因。
此产品是车载、而且整机空间尺寸受限，功率密度比较适中，采用自然冷却散热的方式，MOS管外壳与PCB接触，金属面面向散热器。
这样设计的目的是减少路径上的热阻，尽可能发挥散热器的性能。
那么势必带来两个问题：

• 绝缘要求，需要解决hipot、EMC等的问题。
  

• 接触良性，对导热影响
  

导热硅胶片/导热垫（无硅油）可以完美解决这些问题。
导热硅胶片一款超柔软（类似饺子皮）的高导热性能的材料（导热系数1.5~18W/m.K），在低压力的情况下表现出较小的热阻和很高的形变量（压缩比15~30%），拥有非常好的填缝性能，推荐使用在公差比较大的平面。另外具有双面低粘性，不需要额外的阻碍导热的粘胶涂层亦可背胶处理，强粘性粘接。
通过多方调研与样品申请测试试用后，最终选定合肥傲琪的导热硅胶片。


其优势在于：
1、性能

• 与电子组件装配使用时，低压缩力下表现出较低的热阻和较好的电气绝缘特性，击穿电压(>3kv/mm)。在-40℃~200℃可以稳定工作,满足UL94V0的阻燃等级要求。
  

• 厚度选择（0.3/0.5mm、1.0mm每0.5mm递增至12mm，适合不同发热元器件与外壳间隙填充。
  

• 无硅油款适合对硅油敏感的电子产品（带有摄像头解决雾化现象）。
  

• 导热垫能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位的热传递,增加导热面积,同时还起到减震、绝缘、密封等作用,能够满足设备小型化、超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性的新材料。
  

2、定制化服务
特殊厚度可以按照要求定制，标准长宽400*200mm，按照需求尺寸定制特殊形状CAD图纸刀模模切加工）。


测试验证
接下来我们看看基于Flotherm软件模拟，与实验测试的结果情况。
可以看出，仿真的各元器件结果基本满足设计要求，两个电感温度有些超标，分析原因，可能是风道设计问题，到两个电感区域的有效风较少，没有及时将热量带走导致。
后续的版本我们做了一些优化，篇幅受限，这里就不做详细介绍，感兴趣的可以下载模型后自行研究。
在仿真后期，打样组装成品之后，我们对实物做了温升测试，测试数据如下表所示，

可以看出，此版本的仿真、实测的结果都反馈出少数部分元器件温升有问题，这也给我们整机热管理改善、结构设计优化提供了方向指引。
无论结果如何，我们都需要将获取的原始数据，整理成易懂的报告，以图片、表格等形式进行汇报，方便项目干系人及时、明确的知晓项目进展、潜在的风险等。

热设计报告
优秀的工程师，除了技术过硬，向上汇报的能力也必须具备，这是软实力的体现，下面是该项目的报告内容，截取部分，大家感兴趣可查阅之前的文章（如何向上汇报：专业的热设计报告）。

注意事项

• 若某堆发热元器件在一起，导热硅脂与导热硅胶片一起使用的情况，需要将散热器分开设计，避免因导热硅胶片压缩率、结构面平整度、安装与设计公差等因素，致使导热硅脂接触不良，从而影响发热源散热。
  

• 任何项目都不是一蹴而就的，在理论计算、仿真、测试等结果基础上进行不断迭代优化设计，最终结合成本、空间尺寸、供应链、工艺等因素，形成项目的最终设计方案。
  

至此，一个完整的项目，从结构设计、热设计到测试，总结汇报完整的研发过程就介绍完毕，如果大家一些心得体会，欢迎在评论区或私信我交流。