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现在的导热材料,是怎么放到器件上的?

时间:2020-07-15 作者:黄烨锋 阅读:
随电子产品小型化和性能愈发强大的趋势,散热实际上越来越成为系统设计中的难题,所以不难想象导热界面产品的发展潜力,是随着各行各业的技术应用越来越大的。
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作为消费用户,我们见过最多的导热界面材料,大概是出现在PC主板上的。包括主板芯片组之上衔接散热装甲,以及CPU与散热风扇接触的散热硅脂,还有像是VRM散热片接触面需要用到的导热垫等。随着各行各业的电子化、数字化进程推进,这些导热界面材料自然也就应用到了各行业各业。wigEETC-电子工程专辑

随电子产品小型化和性能愈发强大的趋势,散热实际上越来越成为系统设计中的难题,所以不难想象导热界面产品的发展潜力,是随着各行各业的技术应用越来越大的。wigEETC-电子工程专辑

今年慕尼黑上海电子展上,我们采访了莱尔德高性能材料(Laird Performance Materials,以下简称莱尔德)中国区销售总监区竑翊先生。这家公司的主营业务之一就是导热界面材料。当然莱尔德的其他业务还包括了电磁干扰屏蔽材料、精密金属、磁性陶瓷元件、无线充电、电感器、射频/微波吸收材料、导电弹性材料等。业务覆盖的领域包括通讯、IT设备、消费电子、汽车、医疗、工业、航空国防等。wigEETC-电子工程专辑

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莱尔德高性能材料中国区销售总监 区竑翊wigEETC-电子工程专辑

我们通过与区竑翊先生的对话,可从中了解,这些材料——尤其是导热界面材料的发展情况:例如这些材料现如今在技术上有何特色,以及究竟是如何应用到电子组件中的。wigEETC-电子工程专辑

现在的莱尔德

按照惯例,我们还是先看一下莱尔德这家公司的情况。我们能够从官方资料中看到莱尔德(Laird PLC)的财报停留在2017年。当时这家公司的主营业务包括了高性能材料(Performance Materials)、互联汽车解决方案(Connected Vehicle Solutions)、无线与热系统(Wireless and Thermal Systems)。wigEETC-电子工程专辑

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来源:Laird PLC 2017 Annual ReportwigEETC-电子工程专辑

比较有趣的是,Laird Performance Materials是唯一持有laird.com这个莱尔德品牌域名的组成部分——也是我们本次采访的主体。2017年报数据显示,高性能材料是Laird PLC的最主要构成。高性能材料业务的年度营收(4.483亿英镑)当时占到整个公司的将近一半,而营业利润(4700万英镑)则占到57%。wigEETC-电子工程专辑

“我们的高性能材料,这20年来就是为电子行业提供信号保证,以及导热、屏蔽等方面的需求,对电子产品的工作环境起到一个保护的作用。针对电子产品本身的发热、信号干扰屏蔽等,提供一整套的方案。”wigEETC-电子工程专辑

再次强调,本文我们提到的莱尔德特指Laird Performance Materials。未知在被收购以后,公司是否经过了一些业务重组,从产品构成来看似乎是有业务扩充的。而且这两年已经足够令其业务规模发生变化。但至少这个数据可帮助我们理解相关业务的盈利能力和量级——这家公司在导热界面材料、电磁干扰屏蔽材料等领域,在全球范围内的市场份额都是名列前茅的。wigEETC-电子工程专辑

从区域来划分,Laird PLC公司2017年在北美市场的营收为3.09亿美元(占总营收33.0%),其次就是中国——营收为2.37亿(占总营收25.3%)。区竑翊告诉我们:“目前莱尔德的中国业务,占到全球营业额百分比应该比2017年的时候还要略高。”wigEETC-电子工程专辑

“主要是两方面因素,第一是相对业务增长的比例,中国要比欧美市场更高;第二我们在中国业务覆盖的行业门类比较齐全。这两年有消有涨,但总体增长趋势相对行业平均水平还是更高的。但在美国和欧洲的客户群相对单一,比如汽车市场,其实过去2、3年在欧美市场的增长情况都并不理想。”wigEETC-电子工程专辑

走向“多功能”的导热界面材料

这次慕展上,导热界面材料是莱尔德展示的主体,具体包括导热垫、相变材料、导热硅脂和导热绝缘材料。导热界面材料的本质,是针对电子产品,用于填充气隙和微小的不规则空间,从而降低热阻,达到更好的冷却效果的。展会现场的工程师告诉我们,不同形态的产品用于解决不同的导热问题,比如导热填缝垫片用于连接热元件和机壳或散热片组装之间的界面;液态导热填缝材料则具备压变顺应性,在界面之间传递热量几乎无阻力。wigEETC-电子工程专辑

相变化热材料,则可以软化和填充工作温度下的微小间隙,以及贴合在各种表面不规则性的导热硅脂上;还有绝缘导热材料,是当电气隔离、可靠性、直通电阻和导热性都需要考虑在内时,就采用导热绝缘片。除此之外,莱尔德还有导热印刷电路板、导热石墨片材料等产品。wigEETC-电子工程专辑

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HD90000,针对通讯设备基站开发的导热界面材料,导热系数7.5W/mK,兼具超软、低挥发、低渗油的特点wigEETC-电子工程专辑

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Tputty 607,这是一款液态导热填缝材料,也有较多领域的应用,包括处理器、汽车辅助/自动驾驶系统等;特点在于极低应力和强电气绝缘能力wigEETC-电子工程专辑

不过在这些导热界面材料的进化路径上,莱尔德提出了一种复合性功能材料和定制化的系统解决方案(MFS),简单理解就是将具备多种特性的材料放到一起。wigEETC-电子工程专辑

“这是莱尔德一个比较特殊的优势。很多客户在同一块板子上,要解决不同的问题。比如有导热的问题,有电磁干扰的问题。而且这两者经常是相关的。比如说用某一种导热材料之后,虽然导热效果比较好,但也可能带来意想不到的电磁干扰问题。”区竑翊说。wigEETC-电子工程专辑

“莱尔德就在设计的时候考虑到这些问题,把不同的材料合并起来,比如通过注塑或者叠加的方式将几种材料做组合,一次解决客户的多个问题。客户就不需要去找多个材料供应商做平衡了。这在生产和采购上也简化了很多。这有助于客户缩短设计周期,将产品尽快推向市场。”wigEETC-电子工程专辑

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Coolzorb Dispensable 3W,同时具有导热和吸波性能的点胶产品wigEETC-电子工程专辑

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Coolzob 600,可应用在光模块的导热界面材料wigEETC-电子工程专辑

“比如有一个系列的产品叫Coolzorb,就是把吸波和导热的功能,放到一片材料上面。这已经是目前比较成熟的产品了。”wigEETC-电子工程专辑

除了区竑翊所说的Coolzob系列,另外比较典型的还有同时解决导热和导电问题的GOF系列产品,以及适用于5G-MIMO天线区域的可注塑的低介低损天线罩的Radome 5系列,和同时抑制旁瓣干扰和增强雷达透波效率的双色注塑的汽车雷达天线罩 Radar Radome。wigEETC-电子工程专辑

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GOF2000,面向路由器的一款产品wigEETC-电子工程专辑

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应用于汽车领域的Radome/absorber Assembly复合材料应用wigEETC-电子工程专辑

这种“多功能解决方案”的本质,就是用单工序解决方案来应对多个设计挑战。莱尔德在介绍资料中说拥有“十多项卓越组合”,多功能解决方案涉及到熔融板级屏蔽片和热管理产品、采用结构金属和各类吸收产品进行屏蔽、结合导电布衬垫进行屏蔽或其他屏蔽方式。这想必是这个行业的重要发展方向之一。wigEETC-电子工程专辑

“还有一些是客制化产品,不是先入为主的,不是先设计好一个多功能的产品再拿到客户那里去推。而是在客户研发早期,就和他们做充分沟通,了解他们的需求,去设计一个客制化的产品。与其说MFS是一类产品,比如更恰当地说,这是一类解决问题的方案。”区竑翊补充说。这显然是从产品,增加服务的一种方式。wigEETC-电子工程专辑

自动点胶、自动PRINT

莱尔德在慕展现场摆了一些设备格外引人注目,这些设备能够实现自动将导热界面材料应用到客户的产品之上。区竑翊告诉我们,这是“自动化导热界面材料应用工艺”。wigEETC-电子工程专辑

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展会现场在演示的自动点胶设备wigEETC-电子工程专辑

“我们现在主要有两个类型的自动化。一类是点胶的自动化——以前人工成本还没有那么高的时候,客户在生产的时候需要人工去贴。但现在人工成本越来越高,而且生产流程要求变快了,客户对生产效率要求提高了,也会要求我们去做自动化。”wigEETC-电子工程专辑

“这种自动化点胶的方式,我想不仅是莱尔德,也是行业的发展趋势。”wigEETC-电子工程专辑

“还有一类是TIM Print的方式,就像打印机。把导热材料预先放到窄带上面,以印刷的方式将其贴到芯片上。”wigEETC-电子工程专辑

我们比较好奇这类自动化解决方案是以怎样具体的方式,应用到客户的产品制造流程中的。区竑翊告诉我们,“大部分情况下,是莱尔德把导热界面材料提供给客户,配合客户的设备,在客户自己的流水线上去点胶;另外,体积比较小产品的或者客户产能不够的时候,可能会由莱尔德去做自动化。”wigEETC-电子工程专辑

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莱尔德的自动化点胶应用,“通过分析不同的产品混合过程、不同的点胶模式、体积、数量、尺寸以及材料放置的精确度,找出最优解决方案”。wigEETC-电子工程专辑

而且在全套解决方案上,莱尔德也提供方案建议。“莱尔德会帮助客户做投资回报率的分析。因为客户或者莱尔德购买(自动化)设备的前期投入成本是比较高的,当然这么做后期的效率会提高,成本会摊薄。”wigEETC-电子工程专辑

“我们大部分产品还是在客户自己的生产线上去点胶。所以我们要帮助客户去做分析,比如以前是人工去贴导热垫片,那么如果现在去购买自动化设备,则投资回报率是多少,能够在多长时间内把投资成本收回等等。”wigEETC-电子工程专辑

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TIM PICK,这个方案与TIM Print类似,用于自动化导热模切垫片,其上的拾取头会将未切割的导热界面材料整片切割至合适尺寸的垫片,拾取后放置到电子组件上wigEETC-电子工程专辑

在莱尔德官方资料列举的实例中提到,GPU制造商生产旗舰级显卡,使用超薄独立式热敏垫时,由于手工剥离与粘接产生了过多报废,导致产量低,则可以考虑TIM Print的方案;而电动汽车制造商,期望优化点胶填隙材料的点胶模式,则考虑上述自动点胶工艺。总的来说,这种导热界面材料自动化解决方案,是一种用机械精度去提高导热界面材料应用可靠性的方案,也因此提升效率、降低总成本。wigEETC-电子工程专辑

“其实不同行业的客户,产品设计周期是不一样的。消费品可能设计周期是1年到1年半,汽车客户则可能是3-4年。所以客户在设计这一代产品,甚至下一代产品的时候,就会让莱尔德参与进去。莱尔德要了解客户的需求,以及找到解决方案去帮助客户解决问题。”wigEETC-电子工程专辑

从导热界面材料,看行业增长热点

莱尔德目前覆盖最大的两个行业应该是通讯和汽车,这也是莱尔德目前最看好的发展领域。“我们覆盖行业最大的还是数据通讯、网络通讯。包括5G无线基站这样的业务;网络通讯则像是路由器、存储、光通信。”“跟友商比起来,莱尔德的优势主要就在数据通讯和网络通讯这块,我们在这个领域耕耘了很多年。”区竑翊说。wigEETC-电子工程专辑

“未来最有潜力的发展领域,我想应该在两部分。第一是5G通讯,这部分我们刚刚才开始做布局。根据我们4G方面的经验,这个周期大概会有2、3年,离这波高潮的到来应该还有一段时间。” “随着数据量的爆发式增长,因为现在很流行人工智能、自动驾驶这样的技术,对存储设备、连接器、光通讯设备的需求量都会增大。”wigEETC-电子工程专辑

另一方面,“汽车未来向无人驾驶、自动驾驶、汽车安全等方面发展,电动化趋势在电池包、电池管理方面也都会有发展。所以我想未来增长比较多的是通讯和汽车。”而且,“我们在中国市场,汽车业务的占比还没有很高,但这项业务是这几年增长速度最快的。”wigEETC-电子工程专辑

“随着数据传输速度越来越快,计算能力越来越强,汽车雷达也好,手机也好,芯片运算速度只会越来越快,直接导致的就是表面温度就会越来越高。对于我们的挑战来说,就是以后往导热材料,需要达到导热系数会越来越高。不同应用对材料本身包括柔软度等各方面的要求都越来越有挑战性。”莱尔德遭遇的这些挑战,正是行业向前发展的最佳写照。wigEETC-电子工程专辑

更多图片:wigEETC-电子工程专辑

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应用于PCB grounding-印刷电路板接地的SMD Soft ContactwigEETC-电子工程专辑

铁氧体磁心、贴片磁珠、共模电感等产品wigEETC-电子工程专辑

应用于高速连接器的吸波材料wigEETC-电子工程专辑

无线充电模块wigEETC-电子工程专辑

应用于汽车辅助/自动驾驶雷达的吸波材料wigEETC-电子工程专辑

为电信硬件设备提供增强的气流和EMI保护wigEETC-电子工程专辑

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责编:Yvonne GengwigEETC-电子工程专辑

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欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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