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散热铝材之应用与发展动向
散熱鋁材之應用與發展動向
金屬中心產業研究組 劉文海
一、前 言
散熱材料為開發或設計電子產品及產業機器時,作為防熱對策所使用的材料。隨著電子產品之高機能化及小型化,散熱材料之開發亦日漸興盛,但原本在使用大電流、高電壓之電子零組件及要求具備高度可靠性的產業機器中,向來便一直使用金屬或陶瓷散熱材料。目前不僅產業機器,在民生用機器及汽車電裝產品的開發及設計方面採取防熱對策,亦即使用散熱材料之必要性日益提升,散熱材料的用途及應用領域亦有擴大趨勢。
二、散熱材料之應用現況
散熱材料一夕之間突然受到關注,是因為運用於電腦CPU上。電腦自1980年代後半至1990年代期間,亦普及至一般民眾。之後隨著CPU性能高速化及高耗電化的同時,為防止CPU發熱導致不穩定,於電腦開發及設計時,導入散熱材料作為防熱對策,表1列舉不同之散熱材料分別使用於各種電子產品,圖1為功率模組中的各種散熱材料之使用位置。
表1 電子產品零組件與適用散熱材料種類
電子產品
零組件 適用散熱材料種類 導熱材料 TIM(Thermal Interface Material) 導熱片、散熱雙面膠帶、散熱膏、散熱膠合劑、間隙填料、
相變散熱片(Phase Change Sheet) 均熱板(Heat Spreader) 石墨板、散熱鰭片(Heat Sink)、熱導管 電路基板 鋁基電路基板、陶瓷基電路基板
(氧化鋁、氮化鋁、氮化矽) 機殼 散熱鋁合金板、鎂合金、散熱塗層鋁合金、散熱塗層鋼板 其他 帕耳帖模組(Peltier device,如致冷晶片乃利用電流產生溫差)、散熱塗料、散熱工程塑膠、散熱彈性體
資料來源:アルミニウム,第18卷80號(2011)
圖1 功率模組中的各種散熱材料之使用位置。
資料來源:アルミニウム,第18卷80號(2011)
其後自1990年代後半起至2000年代前半期間,由於筆記型電腦、行動電話、可攜式遊戲機等行動終端機的普及與高性能化、輕薄短小化以及各種發熱零件(特別是半導體IC及光源用LED)的高功率輸出化與汽車的電裝化(電子控制化、電動化)等因素,導致發熱零件及其周邊(機器∕基板)整體之發熱密度大幅增加,各種機器需要散熱材料之理由如下:
1.發熱零件?發熱零件(CPU、IC、LED)本身的耐熱性低
?因高熱使得發熱零件的壽命及各種特性降低
?發熱零件小型化及面積窄化,導致散熱面積減少、發熱密度增大
?因發熱零件的高功率輸出化,導致零件的耗電增大,意即熱損失增大(特別是功率IC及大功率LED)
2.機器∕基板 ?多功能化、輕薄短小化、省空間化、電子零件搭載件數的增加
?電子零件的高密度裝載化
?汽車零件的電裝化(電子控制化、電動化)
目前不僅產業機器,在民生用機器及汽車電裝產品的開發及設計方面採取防熱對策,亦即使用散熱材料之必要性日益提升,散熱材料的用途及應用領域亦有擴大趨勢,表2為散熱材料之應用領域與需要散熱材料之零組件。2012年全球3C用散熱材料市場需求約2100億日圓,其中主要為熱導管(佔37.1%)、帕耳帖模組(佔12.7%)、石墨板(佔10.8%)及導熱片(佔8.3%)。
表2 散熱材料之應用領域與需要散熱材料之零組件(熱源)
用途 零組件舉例 民生用機器
(電子產品) 筆記型電腦、行動電話、遊戲機 CPU∕MPU,GPU 家電、AV AC整流器、電源供應器用IGBT/MOSFET LED–TV LED背光、LED LED照明 LED照明零件及LED 太陽能發電設備 功率調節器 產業機器 汽車 PCU、ECU、驅動用大型馬達、空調變頻器用IGBT∕功率IC、LED燈及LED 軌道列車、工具機、機器人、行動電話基地台、發電設備、升降梯、伺服器 功率模組、變頻器、電源供應器、驅動用大型馬達之IGBT∕MOSFET 資料來源:アルミニウム,第18卷80號(2011)
三、主要散熱材料的發展趨勢
以下介紹導熱片、散熱鰭片及電路基板等3種散熱材料的發展趨勢:
1.導熱片
導熱片之目的是將發熱零件(CPU、功率IC、LED)的熱量向外傳導,夾於發熱零件與散熱材料(散熱鰭片)、電路基板及機殼等之間,為導熱材料之一。導熱片是將氧化鋁等無機熱傳導填料高密度充填於有機黏結劑而成的薄片狀散熱材料,標準品厚度為0.3~3㎜。黏結劑具良好耐熱性、絕緣性及穩定性,主要使用不易因熱循環引起物理性變化且不易劣化的矽膠樹脂。
熱傳導填料通常使用絕緣性填料,以氧化鋁等的陶瓷填料為主流。這些導熱片依熱傳導係數可分為低熱傳導型(0.5~1 W∕m?K)、中熱傳導型(2~3 W∕m?K)、高熱傳導型(4~5W∕m?K)三類。
使用金屬、碳纖維及石墨等導電性填料之導熱片亦
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