为了在更小的空间内实现更佳的性能，功率电子产品的普遍发展趋势是在相当紧密的电源模块内外，采用更快、更有效、性价比更高的传热方式。在开始新设计之初就考虑热量管理概念，不仅能延长电子元件的使用寿命，还可以提高整个电源模块的质量。

在大量电子应用中，特别是在电源电子产品领域，只将电子元件产生的热量通过PCB传导到周围空气中已不足够。除此之外，还需要额外冷却元件，也就是外接有源/无源冷却散热片。

应用的金属外壳通常可以用来作为电源电子产品的额外冷却部件。为了保证人身安全，需要采取额外的安全预防措施，防止因介质击穿引起的意外冲击。

 

 

导热界面材料（TIM）介质能避免或最大程度地减少空气夹杂物，从而实现热源到散热器之间的高效热传导。不论是从商业角度还是技术角度来看，对于电源电子产品中的导热和绝缘挑战，可以在电气绝缘、导热介质层（例如典型B阶或C阶固化介质膜中的导热半固化片）中找到解决方案。

 

 

散热半固化片含有玻璃纤维基材，采用矿物填加剂强化。这种散热界面的导热率可以达到2.2 W/mK，介电强度大于4 kV（介质厚度为70μm）或6 kV（介质厚度为100μm）。使用薄膜（厚度为70μm或100 μm），就可以实现0.315Kcm²/W或0.45Kcm²/W的低热阻抗，这样就能将电源元件产生的热量高效消散到附着的冷却部件，再将热量消散到周围空气中。

 

 

应用

散热/绝缘无硅TIM介质的主要用途在电源电子品领域，它们可将传热性能和电气绝缘很好地结合到一起。

光伏逆变器、风力发电机和工业LED照明中的电子电源模块都成功应用此方法。工业电源电子产品、焊接设备和机器人驾驶功能也采用了该方法。预计电动汽车（EV）的传动系统和车载充电器中的未来项目也将越来越多地采用该方法。

使用这种薄膜的关键任务就是要在实现最大介电强度的前提下高效散热，才能更好地实现MOSFET 和水冷式微型冷却器的连接。

 

 

大量测试表明：与其他TIM方法相比，从技术和商业角度来看，此导热介质薄膜对于特殊应用达到了最好的散热和介电强度组合。

 

介质制造/轮廓绘制

介质半固化片被制成106型和1078/1080型玻璃纤维布，然后通过专有工艺使用矿物填加剂做强化处理，实现薄膜的高导热率。除了纯填加剂性质之外，介质材料中的颗粒尺寸和分布也是实现TIM薄膜均质导热率的关键因素。这种革新性的B阶半固化片薄膜被全球各PCB工厂广泛应用于压合导热多层结构。

 

 

在接下来的工艺步骤中，B阶半固化片经固化处理达到特定的高Tg值，从而实现最大的导热率和介电强度。

固化后的黏合半固化片制成1245mm ✕ 945 mm的大尺寸薄板，用户可按照其电源模块组件来裁割绝缘散，即可直接使用。与此同时，客户也可购买常规的PCB尺寸，例如460mm ✕ 610 mm。

 

 

PCB制造商可以要求供应商将固化后的黏合半固化薄膜制成任意正方形或长方形尺寸，将几百片独立薄膜堆叠好再交付，方便日后手动或自动处理。针对预生产测试中的样品、样机和小批量预生产测试，可根据客户的规格要求，提供预加工及特定尺寸外形的黏合半固化薄膜。因此，客户就能直接在PCB和电源模块组件的散热片之间放置介质。使用这种黏合介质薄膜后，不需要用油、油脂、膏或硅质导热材料就能实现高导热率，更便于贴装和拆卸。

对于大批量生产中，采用定制的冲孔工具对黏合介质冲孔是性价比最高的解决方案。

 

TIM/冷却技术的未来展望

在进一步研究TIM介质技术的过程中，会将带有PCB芯材、B阶黏合和固化后的导热介质层结合到一起后黏附在散热片上，帮助客户在电源模块制造过程中实现多层数层压和多介质层解决方案，以优化冷却系统的导热率和介质强度。

此外，现在市场上有很多不同的半固化片介质可以满足甚至超越客户对导热率和绝缘强度的高要求。优化制造散热PCB的可加工性是重要的研发目标，对于汽车领域这种大批量系列化的生产模式而言尤为如此。

双散热涂层（Dual Thermal Coating，简称DTC）工艺就是很好的实例之一，即在金属载体（铜或铝）上直接添加2块无玻璃介质层。使用这类新型介质散热技术之后，可以使非常薄的散热/介质层直接成为金属载体的组成部分，以降低热阻抗。

 

 

在制造过程中，与金属基材直接接触的层数较少的介质固化至C阶，从而获得数据表中规定的电气属性和散热属性。另外一层B阶材料会施加到固化后的介质层上，由用户进一步完成层压加工。这种结构（金属载体外加双层介质）在压力和热量下形成同质整体的PCB。这种工艺可以得到非常紧密的电源模块，其电气属性和散热属性都得到了优化，且不需要使用任何将冷却系统的不同层压合到一起的机械元件。DTC延长了应用在各种恶劣环境下产品的使用寿命，满足了电子行业的严苛要求。

 

总结

多层PCB设计师可利用新型散热薄膜B阶和C阶介质体系提高产品的热导率，同时通过将其压合到散热片或散热金属基材，提供耐高电压的解决方案。

 

Jeff Brandman任Aismalibar公司北美区总裁。

 

更多内容请点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》7月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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