為什么導熱填料在PCB中越來越重要

現(xiàn)在，電子設備的發(fā)展越來越快，芯片速度更高，功率更大，體積卻越來越小。這些變化帶來的一個直接問題就是——熱量增加了。

不管是通信設備、服務器、汽車電子，還是LED照明、電源模塊，它們都需要持續(xù)穩(wěn)定地運行。電路板里的元件在工作時會發(fā)熱，如果這些熱量不能及時散出去，就會讓整個系統(tǒng)溫度升高，甚至造成器件失效或老化。

為了更好地解決散熱問題，除了加裝風扇、金屬散熱片之外，還可以從材料入手提升導熱性能。這時，導熱填料的作用就變得非常關鍵。它們可以加入到樹脂、導熱膠、導熱墊片等材料中，用來增強PCB的導熱能力，把熱從發(fā)熱源快速傳導出去。

導熱填料不僅影響一個局部區(qū)域的溫度，它的性能優(yōu)劣，會直接影響整塊電路板的工作狀態(tài)。所以，在PCB制造和封裝過程中，如何選對導熱填料，怎樣評估使用效果，成為一項重要課題。

導熱填料的基本原理是什么

導熱填料是一類能夠傳導熱量的無機粉體材料。常見的有氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氧化鎂、碳化硅、石墨等。這些材料加入到樹脂或膠黏劑中以后，會在內(nèi)部形成熱傳導通道，提升整體的導熱系數(shù)。

導熱填料本身是絕緣的，也就是說，它只導熱，不導電，這對于電子系統(tǒng)非常關鍵。因為電路板里不能允許出現(xiàn)短路風險。填料的形狀有球形、片狀、棒狀等，每種形狀的填料傳熱路徑不同，導熱效率也不同。

導熱填料在PCB中主要起兩個作用：

1. 提高導熱性：幫助熱量快速離開元器件，降低工作溫度；

2. 增強結(jié)構(gòu)強度：在某些高填充設計中，還可以提升樹脂的機械性能和尺寸穩(wěn)定性。

但不是所有填料都能隨便使用。選錯材料，不但達不到導熱目的，還可能引起電性能下降、材料分層、粘結(jié)不牢等問題。因此，了解導熱填料的原理是選型的第一步。

影響導熱填料選擇的主要因素

在實際設計中，要選出合適的導熱填料，需要考慮多個因素。以下是常見的幾個關鍵點：

1. 導熱系數(shù)

導熱系數(shù)是衡量材料導熱能力的直接指標，單位是W/m·K。數(shù)值越高，說明材料傳熱速度越快。常見材料的導熱系數(shù)如下：

• 氧化鋁：約1~30 W/m·K

• 氮化硼：約20~60 W/m·K

• 氮化鋁：約100~200 W/m·K

• 石墨：可達300~500 W/m·K，但導電

選用時，要根據(jù)具體的散熱需求決定。如果產(chǎn)品發(fā)熱量大，優(yōu)先考慮高導熱系數(shù)的填料，比如氮化鋁；如果成本敏感，且發(fā)熱不是太嚴重，可以選氧化鋁。

2. 電氣絕緣性能

對于PCB來說，填料必須是絕緣的。不能因為導熱性好，就犧牲絕緣性能。像石墨雖然導熱很好，但容易導電，不適合用在有高壓或高頻信號的區(qū)域。

常用的絕緣填料有氧化鋁、氮化硼、氧化鎂。這些材料能兼顧導熱和絕緣，是電子封裝中常見的選擇。

3. 熱膨脹系數(shù)匹配

樹脂和填料的熱膨脹系數(shù)要盡量匹配電路板基材。如果熱膨脹差距太大，升溫時容易產(chǎn)生內(nèi)應力，導致開裂、剝離甚至結(jié)構(gòu)變形。

因此，在選填料時，要注意其熱膨脹參數(shù)，最好與環(huán)氧樹脂或基板相近，特別是在高TG板材中尤為重要。

4. 加工流動性

填料加入樹脂后會影響其流動性。填料比例越高，樹脂越難流動。要保持良好的加工性能，一般采用粒徑分布合理、形狀規(guī)則的填料。

一些改性的填料，比如表面處理過的球形氧化鋁，既能提供導熱性，又能保持樹脂的可加工性。

5. 成本與供應穩(wěn)定性

導熱填料價格差異很大。高性能材料如氮化鋁價格較高，適用于高端產(chǎn)品；氧化鋁和氧化鎂成本較低，適合大批量生產(chǎn)。

除了性能指標，也要考慮材料供應的穩(wěn)定性。如果填料采購困難，可能會影響整個項目的進度和生產(chǎn)計劃。

導熱填料在PCB中常見的使用方式

一、用于導熱膠

導熱膠是把填料加入樹脂中制成的一種導熱結(jié)構(gòu)膠。它既能粘合元件，又能傳熱。多用于芯片與散熱片之間，或電源模塊與金屬外殼之間。

優(yōu)點是施工方便，可以點膠、噴膠或絲印，適合多種結(jié)構(gòu)和工藝。

二、用于封裝材料

很多高功率器件的封裝殼體里，也會用填料增強的環(huán)氧樹脂。這樣可以幫助芯片更快地把熱量傳導出去。

這類應用對填料比例和顆粒分布要求更高，需要達到高填充率才能形成連續(xù)的導熱路徑。

三、用于導熱墊片或絕緣片

在某些結(jié)構(gòu)中，還會使用導熱片或墊片，把熱量從芯片導到金屬外殼。這里面同樣使用大量導熱填料，提升整片材料的導熱效率。

常見的是硅膠基墊片中加入氧化鋁或氮化硼，用于模組底部散熱。

四、用于復合PCB板材

有些多層高頻板，為了提升整體熱管理性能，會在中間介質(zhì)層加入導熱填料。這樣不僅散熱快，還可以提升板材的機械強度，防止高溫引起形變。

這種結(jié)構(gòu)在通信設備、雷達系統(tǒng)中越來越常見。

如何評估導熱填料的使用效果

1. 導熱系數(shù)測試

最直接的方法是測量填料增強材料的導熱系數(shù)?？梢杂眉す夥ā崃饔嫹ǖ确绞?。對比加入填料前后的數(shù)據(jù)差異，判斷其熱性能是否達到設計要求。

2. 熱成像檢查溫升

使用紅外熱成像儀觀察器件在不同功率下的工作溫度。如果使用填料后，熱源溫度明顯降低，說明導熱路徑有效，填料發(fā)揮了作用。

這種方法簡單直觀，適合在產(chǎn)品開發(fā)階段快速評估。

3. 熱循環(huán)測試

電子產(chǎn)品常常要在冷熱變化中反復啟動關機。因此，需要對使用導熱填料的結(jié)構(gòu)做熱循環(huán)測試。經(jīng)過幾百甚至上千次熱循環(huán)后，檢查是否出現(xiàn)裂紋、脫層、翹曲。

能通過熱循環(huán)測試，說明填料與樹脂、基材之間匹配良好，長期可靠性強。

4. 絕緣電阻檢測

加入填料后，要檢查材料是否仍然保持良好的電氣絕緣性能。使用高壓絕緣測試儀器進行檢測，如果絕緣阻值足夠高，說明填料沒有影響系統(tǒng)安全。

這一步非常關鍵，特別是用于高壓或電源類產(chǎn)品時。

5. 粘結(jié)力與機械強度測試

最后還要評估結(jié)構(gòu)強度。測試內(nèi)容包括剪切強度、剝離強度等。粘結(jié)力不足可能會造成使用后脫落，從而影響導熱路徑。

強度足夠高，說明填料與基體粘合牢固，在長期使用中不會松動或脫層。

正確選型與科學評估是導熱填料發(fā)揮效果的關鍵

PCB中的導熱填料，雖然只是材料體系的一部分，但對整個熱管理系統(tǒng)起到了關鍵作用。導熱填料的性能會直接影響芯片溫度、電路穩(wěn)定性和產(chǎn)品壽命。

選型時，要綜合考慮導熱能力、電氣性能、熱膨脹系數(shù)、加工性能和成本。不能只看單一指標，而應從整個系統(tǒng)出發(fā)，結(jié)合實際工況做出合適的材料組合。

在使用過程中，還需要建立一套有效的評估體系。通過導熱系數(shù)測試、熱成像分析、熱循環(huán)試驗等方式，可以全面判斷導熱填料的實際效果，避免后期出現(xiàn)失效風險。

掌握導熱填料的基本原理和選型方法，不但能提升產(chǎn)品的可靠性和性能，也為更高效的熱設計提供了堅實基礎。面對未來功率更大、結(jié)構(gòu)更緊湊的電子產(chǎn)品，導熱填料將在更多領域中發(fā)揮重要作用。在 捷配PCB，我們隨時為您的項目提供量身定制的高質(zhì)量 PCB 制造和組裝服務，為您的旅程提供支持。