功率模組推動全球發展：導熱膏VS相變材料，漢高公司解讀導熱材料選型
2022-02-22
作者
Henkel
電子、功率模組的設計發生了翻天覆地的變化，功率模組架構的這一發展造成的熱衝擊，讓我們將更加專注於熱管理解決方案，目的是實現更高的性能和可靠性。
「功率模組為電器、電動交通工具、醫療器械、機器人、工廠和空調裝置提供電能。它是我們日常使用的各種系統功能的核心。確保其高效可靠運作比以往任何時候都重要，但這也越來越難以實現。」
–漢高公司，Mahmoud Awwad
功率模組通常由數個功率半導體元件組成，用於馬達驅動、逆變器和各種電源(UPS、AC-DC、DC-DC等)功率轉換系統。和多數事物一樣，電子、功率模組的設計發生了翻天覆地的變化，整合了更多功能，並採用功率密度更高的碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)功率半導體。功率模組架構的這一發展造成的熱衝擊，讓我們將更加專注於熱管理解決方案，目的是實現更高的性能和可靠性。
越薄越好嗎？滿足適當的厚度才是最好！
更多情況下還取決於材料的熱阻。對功率模組而言，在實際應用中減少黏合層的厚度並以導熱介面材料潤濕冷卻表面，與增加導熱系數同樣重要。有必要減少發熱晶片和散熱器之間的導熱路徑，同時還需要平衡熱堆疊和不同的熱膨脹系數(CTE)。如下圖所示，這僅僅是等式的一部分，需要考慮諸多因素。
熱介面材料的構成要素。
過去，導熱膏一直是功率模組與散熱器之間散熱路徑的首選導熱介面材料。導熱膏極薄，且黏度很低，短期內很有效，但不方便處理。也可選擇導熱墊片和導熱凝膠，但二者在厚度和介面潤濕方面存在缺陷。對功率模組熱控製而言，在平衡黏合層厚度、黏度、微間隙填充特性和長期性能時，相變材料應該是目前最佳方案。
導熱材料選型：導熱膏還是相變材料
常規導熱膏初始性能及性價比極佳，但隨著時間的推移通常會發生擠出或乾燥問題，導致熱阻增加，降低散熱穩定性。而特殊配方導熱膏又存在性價比偏低，應用場景受限的情況。
相變材料在室溫下保持固態，只有達到指定的相變溫度時才會熔化，為高達150℃的元件提供穩定保護。除熱管理之外，一些相變材料配方還可實現電絕緣。同時，當相變材料在低於相變溫度下恢復固態時，可避免被排出，在整個元件壽命內具有更好的穩定性。與導熱膏類似，通常可形成極薄的黏合層(10~100µm)，且材料適合自動化加工。
正如漢高公司的Mahmoud Awwad所說，是時候進行改革了：
「對於某些應用而言，導熱膏是完美的選擇。然而，面對當今功率模組設計的飛速變革，我們需要更耐久、更靈活的解決方案。相變材料順應了這一發展趨勢。」
漢高經典相變材料LOCTITE TCP 4000PM。
LOCTITE® TCP 4000 PM是一種可以返修的溶劑型的相變導熱材料，該產品可以透過模版印刷、針式點膠或絲網印刷塗到散熱器、基材或其他表面上。
該相變材料具有和導熱矽脂一樣簡便的可操作性，點膠或印刷後溶劑將揮發成片材。
產品特性：
- LOCTITE TCP 4000PM具有高導熱、低熱阻性能，導熱系數為3.4W/mk；
- 材料的觸變特性讓其不會泵出介面；
- 簡易操作，在室溫下可加背膠或無黏性；
- 高導熱性能有助於確保IGBT CPU等功率元件可靠性；
- 和導熱矽脂相比，相變化導熱材料不會導致髒污、汙染問題；
- 更方便運輸及加工；
- 可進行返工。
產品差異化：提升產品價值
相變材料配方可采用多種介質——片狀、混合物或膏狀。它們的共同點是，能夠預先裝配於模組或散熱器中，並在達到相變溫度之前保持乾燥。單是這一靈活性就值得考慮，更不用說它可防止長期使用後的材料遷移了。
功率模組製造商可以交付預先裝配熱介面材料的元件，提升了產品價值，消除了工廠的處理步驟，簡化了終端產品製造商的供應鏈。
實現下一代高密度功率模組設計對於滿足各領域的先進系統需求至關重要，無論是電動交通工具、工業自動化還是醫療科技領域。許多因素均對此結果有影響，但是高性能熱控製是影響產品長期功能穩定的最重要因素。相變熱介面材料已逐漸成為未來功率模組熱管理的標竿。
漢高的價值
- 漢高電子材料的高性能配方通過高效的熱管理、高可靠的電氣功能和長期可持續性，有效確保設備穩定運作，為電源和工業自動化市場持續帶來價值；
- 漢高貝格斯導熱產品的實力在高要求的應用設備中得到印證，能有效提高產品功率密度，提高可靠性，並降低總成本；
- 漢高灌封解決方案為脆弱電子元件提供保護、免受環境影響，同時保持低模量，以盡量減少組件應力；
- 漢高樂泰電路板塗覆材料保護印刷電路板免受惡劣環境的影響，確保設備可靠的長期運作、高產量和環保製造。
關於漢高
漢高在全球範圍內經營均衡且多元化的業務組合。透過強大的品牌、卓越的創新和先進的技術，公司在工業和消費領域的三大業務板塊中均確立了領先的地位。漢高黏合劑技術業務部是全球黏合劑市場的領導者，服務於全球各行各業。其洗滌劑及家用護理和化妝品/美容用品兩大業務也是各國市場和眾多應用領域的領先品牌。公司創立於1876年，迄今已有140多年的光輝歷史。2020年，漢高實現銷售額逾190億歐元，調整後營業利潤約為26億歐元。漢高在全球範圍內約有5.3萬名員工，在強大的企業文化和共同的價值觀的引領下，他們融合成為了一支熱情、多元化的團隊。作為企業可持續發展的表率，漢高在許多國際性指數和排行榜中名列前茅。漢高的優先股已列入德國DAX指數。更多資訊，敬請訪問www.henkel.com。
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