Tin tức

Cách Lắp Đặt Tản Nhiệt: Vít, Kẹp, Băng Tản Nhiệt và Keo Dán

Phương pháp gắn tản nhiệt tốt nhất phụ thuộc vào tải nhiệt, yêu cầu chống sốc cơ học và khả năng bảo trì: đối với linh kiện công suất cao trên 10 W, sử dụng vít với keo tản nhiệt; đối với môi trường rung động vừa phải, sử dụng kẹp với vật liệu chuyển pha; và đối với cụm lắp ráp cố định, công suất thấp dưới 5 W, sử dụng băng keo tản nhiệt hoặc keo dán dẫn nhiệt. Gắn bằng vít mang lại điện trở nhiệt thấp nhất (0,01 đến 0,05 °C/W) và khả năng giữ cơ học cao nhất (lực kéo lên đến 50 N), trong khi keo dán cung cấp độ bền liên kết từ 5 đến 15 N/mm² nhưng không thể gia công lại. Bài viết này cung cấp dữ liệu kỹ thuật và tiêu chí quyết định cho từng kỹ thuật gắn dựa trên 20 năm kinh nghiệm gia công CNC và sản xuất quản lý nhiệt của BQUQ.

Giá trị điện trở nhiệt của từng phương pháp gắn là bao nhiêu?

Điện trở nhiệt của bề mặt tiếp xúc là chỉ số hiệu suất chính. Tản nhiệt gắn bằng vít với lớp keo tản nhiệt tiêu chuẩn dày 25 µm (độ dẫn nhiệt 3,5 W/m·K) đạt được điện trở tiếp xúc từ điểm nối đến vỏ là 0,02 đến 0,05 °C/W cho linh kiện 40 mm x 40 mm. Gắn bằng kẹp, sử dụng kẹp lò xo và miếng đệm chuyển pha (dày 0,2 mm, 4,5 W/m·K), cho kết quả 0,10 đến 0,20 °C/W. Băng keo tản nhiệt với keo dán gốc silicone (dày 0,5 mm, 1,5 W/m·K) cung cấp 0,30 đến 0,60 °C/W, và keo dán acrylic (đường keo 0,1 mm, 3,0 W/m·K) đạt 0,15 đến 0,35 °C/W. Để so sánh, tản nhiệt khô, không được gắn đặt trên linh kiện có thể có điện trở khe hở không khí từ 1,5 đến 3,0 °C/W, điều này không thể chấp nhận được cho hầu hết các ứng dụng.

Các thông số gắn vít ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt như thế nào?

Gắn vít yêu cầu một lỗ xuyên qua PCB và một trục ren hoặc đai ốc trên tản nhiệt. Mô-men xoắn vít được khuyến nghị cho vít M3 là 0,5 đến 0,7 N·m, tạo ra áp lực kẹp từ 1,0 đến 1,5 MPa lên bề mặt tiếp xúc nhiệt. Áp lực này rất quan trọng: dưới 0,3 MPa, keo tản nhiệt không lan ra độ dày tối ưu 25 µm; trên 2,0 MPa, bạn có nguy cơ làm nứt đế silicon hoặc làm cong vênh PCB. Sử dụng tua vít đo lực để tránh siết quá chặt. Đối với tản nhiệt nhôm trên PCB FR4, sử dụng vòng đệm lò xo hoặc vòng đệm Belleville để bù cho sự khác biệt giãn nở nhiệt (CTE của nhôm là 23 ppm/°C so với 14 ppm/°C của đồng và 12 ppm/°C của silicon). BQUQ khuyến nghị ta-rô trước đế nhôm với ren M3 đến độ sâu tối thiểu 6 mm để có lực kéo ra 80 N mỗi vít.

Tại sao chọn kẹp thay vì vít cho một số ứng dụng nhất định?

Kẹp được ưa chuộng khi không gian PCB bị hạn chế hoặc khi linh kiện ở trong môi trường rung động cao. Một chiếc kẹp điển hình tác dụng một lực không đổi từ 20 đến 40 N, độc lập với chu kỳ nhiệt, vì nó được thiết kế với độ cứng lò xo từ 10 đến 15 N/mm. Điều này vượt trội hơn vít trong các ứng dụng có chu kỳ nhiệt từ -40 °C đến +125 °C, nơi lực siết ban đầu của vít có thể giảm đến 30% do hiện tượng từ biến trong miếng đệm hoặc keo tản nhiệt. Kẹp cũng giảm thời gian lắp ráp 80% so với vít: gắn kẹp mất 5 giây so với 25 giây cho việc lắp hai vít. Tuy nhiên, kẹp yêu cầu tản nhiệt có rãnh hoặc rãnh khía cụ thể, làm tăng chi phí gia công CNC từ 0,10 đến 0,20 USD mỗi đơn vị cho các hoạt động phay bổ sung. Kẹp không được khuyến nghị cho tản nhiệt nặng hơn 100 g hoặc cho linh kiện có diện tích lớn hơn 60 mm x 60 mm, vì sự phân bố lực trở nên không đồng đều.

Nên sử dụng băng keo tản nhiệt hoặc keo dán nào cho linh kiện công suất thấp?

Đối với linh kiện tiêu thụ dưới 5 W, chẳng hạn như bộ điều chỉnh điện áp, driver LED hoặc chip nhớ, băng keo tản nhiệt hoặc keo dán là giải pháp tiết kiệm chi phí nhất. Băng keo tản nhiệt, thường dày 0,25 đến 0,50 mm với gốc acrylic hoặc silicone, phù hợp cho việc gắn dọc hoặc gắn ngược vì nó cung cấp độ bền liên kết ngay lập tức (độ bám dính tách lớp từ 1,5 đến 2,5 N/mm). Keo dán dẫn nhiệt, chẳng hạn như epoxy hoặc silicone RTV, tốt hơn cho các bề mặt không đều vì chúng lấp đầy các khe hở lên đến 0,25 mm. Độ dày đường keo nên được kiểm soát: đường keo 0,05 mm của keo dán 3,0 W/m·K tạo ra điện trở 0,15 °C/W, trong khi đường keo 0,20 mm làm tăng gấp đôi lên 0,30 °C/W. Lịch trình đóng rắn rất quan trọng: keo acrylic đóng rắn ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, trong khi epoxy hai thành phần đóng rắn ở 150 °C trong 30 phút, có thể làm hỏng các linh kiện lân cận. Nhiệt độ hoạt động tối đa cho keo gốc silicone là 200 °C, trong khi acrylic phân hủy trên 120 °C.

Độ hoàn thiện bề mặt ảnh hưởng đến bề mặt tiếp xúc nhiệt giữa tản nhiệt và linh kiện như thế nào?

Độ phẳng và độ nhám của đế tản nhiệt trực tiếp quyết định điện trở tiếp xúc nhiệt. BQUQ gia công đế tản nhiệt với độ phẳng 0,05 mm trên chiều dài 50 mm và độ nhám bề mặt Ra 0,8 đến 1,6 µm cho các ứng dụng vít và kẹp. Độ nhám này cho phép keo tản nhiệt lấp đầy các khe hở vi mô trong khi vẫn duy trì đủ tiếp xúc kim loại với kim loại để truyền nhiệt. Đối với gắn bằng keo dán và băng keo, bề mặt mịn hơn với Ra 0,4 µm được khuyến nghị để đảm bảo keo dán thấm ướt hoàn toàn. Gia công đế tản nhiệt bằng dao phay mặt đầu hoặc dao phay ngón bước nhỏ (bước tiến 0,5 mm) đạt Ra 0,8 µm, trong khi một hoạt động mài nghiền thứ cấp giảm xuống Ra 0,2 µm với chi phí tăng thêm 0,30 đến 0,50 USD mỗi chi tiết. Không bao giờ sử dụng tản nhiệt có độ nhám bề mặt phay trên Ra 3,2 µm, vì điều này có thể làm tăng điện trở nhiệt từ 50% đến 100% do các túi khí bị mắc kẹt.

Các chế độ hỏng hóc và tuổi thọ của gắn keo dán so với gắn cơ học là gì?

Gắn cơ học (vít và kẹp) có tuổi thọ không xác định nếu keo tản nhiệt được thay thế mỗi 5 đến 7 năm, vì keo có thể bị bơm ra ngoài (di chuyển đi) dưới chu kỳ nhiệt. Nới lỏng vít do rung động là chế độ hỏng hóc chính, xảy ra ở 2% cụm lắp ráp mỗi năm mà không có hợp chất khóa ren; áp dụng chất khóa ren cường độ trung bình (ví dụ: Loctite 243) giảm xuống dưới 0,1% mỗi năm. Gắn keo dán hỏng do tách lớp khi ứng suất cắt vượt quá 5 N/mm², điều này thường xảy ra sau 10.000 đến 15.000 chu kỳ nhiệt từ -40 °C đến +125 °C do sự không khớp CTE. Băng keo tản nhiệt có tuổi thọ ngắn hơn từ 3 đến 5 năm vì chất mang silicone phân hủy trên 100 °C, mất 20% độ bền liên kết mỗi năm ở nhiệt độ cao. Đối với các ứng dụng ô tô hoặc hàng không vũ trụ yêu cầu tuổi thọ 10 năm, gắn vít với miếng đệm nhiệt cứng (ví dụ: than chì, 10 W/m·K) là lựa chọn đáng tin cậy duy nhất.

Chi phí mỗi đơn vị của từng phương pháp gắn trong sản xuất là bao nhiêu?

Chi phí mỗi đơn vị bao gồm vật liệu, nhân công và làm lại. Gắn vít có chi phí 0,30 đến 0,60 USD mỗi đơn vị cho hai vít M3, hai vòng đệm và một chấm keo tản nhiệt được bôi sẵn (0,05 g). Gắn kẹp có chi phí 0,20 đến 0,40 USD mỗi đơn vị cho kẹp và miếng đệm chuyển pha, với chi phí dụng cụ cao hơn (khuôn dập kẹp có giá 3.000 đến 5.000 USD). Băng keo tản nhiệt có chi phí 0,05 đến 0,15 USD mỗi đơn vị cho một miếng cắt sẵn 20 mm x 20 mm, nhưng yêu cầu môi trường phòng sạch để tránh nhiễm bẩn bụi. Gắn keo dán có chi phí 0,10 đến 0,25 USD mỗi đơn vị cho vật liệu keo, cộng thêm 0,50 USD nhân công để phân phối và đóng rắn. Bảng dưới đây tóm tắt dữ liệu hiệu suất và chi phí chính cho tản nhiệt 40 mm x 40 mm trên linh kiện 25 W.

Phương pháp gắn nào tốt nhất cho IGBT và MOSFET công suất cao?

Đối với các linh kiện công suất rời như IGBT (transistor lưỡng cực cổng cách ly) và MOSFET tiêu thụ từ 50 đến 300 W, gắn vít là bắt buộc. Sử dụng vít M3 hoặc M4 với mô-men xoắn kẹp từ 0,7 đến 1,0 N·m, và bôi keo tản nhiệt chứa boron nitride với độ dẫn nhiệt 6,0 W/m·K. Đế tản nhiệt phải được gia công phẳng đến 0,03 mm trên diện tích linh kiện để ngăn ngừa gãy đế silicon. Đối với các mô-đun có tấm đế, sử dụng miếng đệm nhiệt (dày 0,3 mm, 5,0 W/m·K) thay vì keo để tránh hiện tượng bơm ra ngoài trong môi trường rung động cao như xe điện. BQUQ đã sản xuất tản nhiệt cho mô-đun IGBT 250 A sử dụng phương pháp này, đạt điện trở từ vỏ đến tản nhiệt là 0,03 °C/W và vượt qua 2.000 giờ chu kỳ nhiệt ở -40 °C đến +150 °C mà không có hỏng hóc.

Câu hỏi thường gặp

Băng keo tản nhiệt có thể được sử dụng trên tản nhiệt nặng hơn 50 g không?

Không, băng keo tản nhiệt chỉ phù hợp cho tản nhiệt dưới 30 g vì độ bền tách lớp của nó giảm 50% khi trọng lượng tác dụng tải trọng cắt lên keo dán. Đối với tản nhiệt nặng hơn, sử dụng vít hoặc kẹp để cung cấp khả năng giữ cơ học. Tản nhiệt 50 g trên PCB thẳng đứng sẽ trượt xuống theo thời gian do hiện tượng từ biến của băng keo dưới ứng suất không đổi.

Bao lâu nên thay keo tản nhiệt trên tản nhiệt gắn vít?

Thay keo tản nhiệt mỗi 3 đến 5 năm trong môi trường công nghiệp hoạt động liên tục, hoặc mỗi 2 năm nếu nhiệt độ môi trường vượt quá 70 °C. Hiện tượng bơm ra ngoài xảy ra khi keo bị ép ra khỏi bề mặt tiếp xúc do chu kỳ nhiệt, làm tăng điện trở nhiệt từ 30% đến 50%. Sử dụng keo có độ nhớt cao (ví dụ: 450 Pa·s) để kéo dài khoảng thời gian thay thế.

Độ dày đường keo tối thiểu cho keo dán dẫn nhiệt là bao nhiêu?

Độ dày đường keo thực tế tối thiểu là 0,05 mm, đạt được bằng cách áp dụng áp lực 0,2 đến 0,3 MPa trong quá trình đóng rắn. Dưới độ dày này, keo bị ép ra ngoài, tạo ra các lỗ rỗng làm tăng điện trở nhiệt. Sử dụng hạt thủy tinh hoặc hạt đệm có đường kính 0,05 mm trộn vào keo để đảm bảo khe hở.

Có thể gắn tản nhiệt bằng cả keo dán và vít không?

Có, điều này phổ biến trong các ứng dụng chống sốc cao như bộ điều khiển động cơ ô tô. Keo dán (thường là silicone RTV) cung cấp lớp đệm chống ẩm, trong khi vít chịu tải trọng cơ học. Bôi keo thành một đường dọc theo chu vi, sau đó siết vít đến 0,5 N·m để duy trì đường keo đồng đều.

Độ nhám bề mặt nào được yêu cầu cho việc liên kết keo dán của tản nhiệt?

Độ nhám Ra 0,4 đến 0,8 µm là tối ưu cho liên kết keo dán. Bề mặt mịn hơn dưới Ra 0,2 µm làm giảm sự khóa cơ học của keo dán, trong khi bề mặt nhám hơn trên Ra 1,6 µm tạo ra các túi khí làm yếu liên kết. BQUQ khuyến nghị bề mặt được phun cát hoặc phay mịn để có độ bám dính tối đa.

Làm thế nào để tính lực kẹp cần thiết cho gắn kẹp?

Lực kẹp phải ít nhất là 1,0 MPa nhân với diện tích linh kiện. Đối với linh kiện 20 mm x 20 mm, lực này là 400 N, nhưng một kẹp đơn thường cung cấp 20 đến 40 N, vì vậy cần nhiều kẹp hoặc một tấm ép. Sử dụng công thức F = P x A, trong đó P là áp lực bề mặt tiếp xúc được khuyến nghị (1,0 đến 1,5 MPa) và A là diện tích tiếp xúc.

Phương pháp gắn nào có tổng chi phí sở hữu thấp nhất trong 10 năm?

Gắn vít có tổng chi phí sở hữu thấp nhất trong 10 năm vì nó cho phép làm lại và thay keo tản nhiệt, tránh phải loại bỏ tản nhiệt. Gắn keo dán yêu cầu thay thế toàn bộ cụm lắp ráp sau khi tách lớp, tốn kém gấp 2 đến 3 lần chi phí lắp đặt ban đầu. Đối với linh kiện 25 W, gắn vít có chi phí 0,60 USD mỗi năm bao gồm bảo trì, so với 0,85 USD mỗi năm cho keo dán.

Để được tư vấn kỹ thuật hoặc yêu cầu thiết kế tản nhiệt tùy chỉnh với bề mặt tiếp xúc gắn tối ưu, BQUQ cung cấp dịch vụ báo giá trong 12 giờ. Liên hệ với đội ngũ của chúng tôi tại sc@bquq.com hoặc qua WhatsApp tại +86 13713157787. Truy cập

Bài Viết Liên Quan

• Tản nhiệt đồng tốt nhất cho ép xung CPU năm 2025
• So sánh Tản nhiệt Kim loại Dập và Tản nhiệt Đúc khuôn: Chi phí & Chất lượng
• Tản nhiệt IGBT cho xe năng lượng mới, kỹ thuật độ tin cậy của tản nhiệt, tản nhiệt tích hợp ống nhiệt và tấm cân bằng nhiệt, xử lý bề mặt và tăng cường bức xạ nhiệt: anodizing, lớp phủ màu đen và cấu trúc vi nano, graphene / in 3D / quản lý nhiệt thông minh: lộ trình công nghệ tản nhiệt năm 2030