提升電子系統散熱性能　熱介面材料取決不可不慎

只要是開發新產品或是針對現有設計進行最佳化，開發人員就必須考量要選擇哪一種功率半導體結合特定散熱片。但連接半導體及散熱片的熱介面材料，通常不在重新考量的範圍內。在大部分情況下，會選擇已經使用多年的材料，因為過去10年沒有問題的材料，現在也不會出差錯。

不過，這是一項錯誤的論斷。熱介面材料就像半導體一樣，多年來不斷成長演進。如果開發人員尋找替代材料，就會面對各式各樣難以處理的可能選擇，進而產生如何評估及比較不同材料的問題。

打破規格表數值迷思

圖1　使用規格表數值的簡化熱模型。熱介面材料隱藏在淺色區域內部。

開發人員針對可能替代材料進行廣泛研究及收集資料後，會採取以下的普遍做法：取得製造商提供的規格表，比較不同材料的熱傳導性，然後開始進行模擬以評估晶片溫度。

一般電子系統設計時通常會遇到的情況包括：預期的最高環境溫度；連接晶片至模組基板的已知熱阻RthJC；透過測量判定散熱片至環境的熱阻RthHA；規格表所述散熱膏均勻塗布的熱傳導性；半導體製造商大多會假設使用一固定規格的散熱膏，在規格表加入基板至散熱片的一般熱阻RthCH。

這樣會產生如圖1所示的簡化熱模型。假設已確切得知產生的損耗PV，就可由運算得知晶片溫度。

如果比對計算結果與測量資料，就會明顯發現這類簡化模型缺乏精確度。這裡設計了一個專為測量熱介面材料有效性的測試台，使用網版印刷塗布散熱膏至之後安裝在散熱片的功率模組。設置內容包含六個相同裝置，在完整的八個月測試期間，監測晶片溫度變化。

圖2　使用不同熱介面材料比較散熱結果

傳導性最高的熱介面預期可達到最低的晶片溫度，提供最長的使用壽命。在完整的八個月測試期間，會記錄每日測量的晶片溫度最大值，而最終結果將會考量前述測量溫度的平均值。圖2概述執行100,000次循環以上的壓力測試。

圖2中清楚顯示，測試達到的晶片溫度與規格表提供的熱傳導數值完全沒有關聯。傳導性最高的材料產生最差的結果，而傳導性相差十倍的材料則達到類似的晶片溫度。

因此，依據規格表數值比較及評估散熱膏的散熱品質，完全不對。造成這種現象的原因，在於規格表數值的決定方式。ASTM5470-12標準所述的測試設置，與功率半導體並不相容，其比較適用於獨立零件或處理器。特別是螺絲所在的區域，螺絲的表面結構及安裝力量遭到忽略，而有相當多的熱能藉由金屬與金屬間的接觸傳輸。介面材料的流動特性及潤濕能力等其他重要參數，不是沒有列在說明中，就是非常難以在可比較的數據中找出。

開發人員只剩一種可能做法，就是考量自己的特定應用，進行長時間的材料實際測試。

玻璃面板最終變形

圖3　塗布TIM的玻璃面板安裝至散熱片。

在一項實驗中，將塗布散熱膏的模組安裝至玻璃面板，觀察材料在設置內部的散布方式。這項實驗原本似乎用意良好，但最後卻大有問題，因為無法藉由實驗了解散熱品質。玻璃面板並沒有含銑削表面之散熱片常見的顯微通道，這種結構可提升散熱膏的流動特性。因此，透過玻璃面板檢視會判斷錯誤。

除了將模組安裝至玻璃面板外，也可將玻璃安裝至散熱片，並於兩者之間使用散熱膏。雖然散熱片可提供顯微結構，但玻璃並沒有功率模組的凹槽，因此這項配置也無法可靠描述散熱膏的流動特性。圖3是這類設置的圖片。

圖3中明確顯示，由於玻璃是平面表面，即使在寒冷狀況下也會施予相同壓力。這種行為與使用功率模組的情形不同。這項設置從室溫開始就產生不正確的錯誤印象，如果考量更高溫度，更是每況愈下。

功率模組基板在溫度升高時，會因為雙金屬效應而變形。基板往散熱片方向降低溫度時，會將大量的機械力量依序施加至熱介面材料及散熱片。

加熱安裝至玻璃面板的模組並不可行，因為玻璃無法承受熱能或機械壓力，可能會在測試期間毀損。結論是這項實驗無法模擬實際應用環境，因此不具相關性。

壓印測試出人意表

圖4　介面材料在循環負載後的光學外觀。模組位於左側，散熱片位於右側。

壓印的結果則更令人困惑。由模組、散熱膏及散熱片組成的電力電子系統，會在運作一段特定時間之後拆開。將模組及散熱片留存的壓印，視為了解測試材料散熱品質的提示。

這種測試方法會在室溫下檢視拆卸後的電子系統元件，以推測組裝結構(通常在高溫、高壓狀況下運作)的特性，不過，此方式顯然無法產生值得信賴的結果。圖4顯示的EconoPACK+壓印圖片可做為範例。

這類壓印的結果顯示，通常會得到散熱膏散布不佳的結果，將原因歸咎於使用的材料過少，並做出熱傳輸效果相當差的結論。

測試期間，另外由紅外線攝影機進行實際晶片溫度測量。由於測試中其他的材料，都無法達到類似低的晶片溫度，因此熱傳導效果相當好，與解讀結果大相逕庭。

總歸來說，在電子系統設計中，有關熱介面材料的許多概念只能僅供參考，實際測量結果後並不可行。唯一重要參數只有晶片溫度，必須要盡可能密切且精確地觀察這項參數。

(本文作者任職於英飛凌)