压敏胶基导热胶带及其应用

收稿日期：2014-04-01

作者简介：蓝滨，男，研究生，从事导热界面产品技术支持工作。曾在国内外杂志发表多篇论文。E-mail：flan@mmm.com。

摘要：压敏胶基导热胶带的主要作用就是在提供粘接功能的同时，填充元器件与散热器接触面间的微观缝隙，降低界面热阻。介绍了导热胶带的结构和功能，以及相关的性能测试。同时简述了导热胶带对LED背光电视中灯条的粘接方案及其优点。

关键词：热界面材料；导热胶带；缝隙填充；LED灯条粘接

中图分类号：TQ436+.3 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）05-0037-04

随着大规模集成电路和微封装技术的发展，电子元器件和设备的集成密度越来越高，体积也不断缩小，散热成为一个突出的问题。不但电子元器件的寿命随使用温度的升高而显著缩减，而且在使用过程中，工作温度过高也会导致系统死机或热变形等问题。使用压敏胶基导热胶带的主要作用就是在提供粘接功能的同时，在结构设计中减小传热热阻，将产生的热量及时扩散到环境或辅助散热设备中去，保证元器件工作在容许工作温度之内。

1 导热胶带应用原理

热能的传递有3种基本方式：热传导、热对流和热辐射。在一般机电系统中，热量从元器件内部需经接触界面传至散热器或外壳等散热器件，主要是热传导起作用；再通过散热器传递到外部环境，这一过程以对流和辐射作用为主。对压敏胶基导热胶带的应用来说，其传热性能的好坏通常由其热传导参数衡量。

假设一系统中各点温度不随时间改变的稳态热平衡状态，热传递的方程式可以表示为式（1）：

其中：Q为单位时间系统传热量，单位为W，ΔT是传热点间的温度差，R为传热途径中各部分热阻，表示为式（2）：

式中：δ和A为传热层的厚度及面积，而λ为传导相应比例系数，又称热导率。对于特定材料来说，其热导率和外形尺寸无关，是标志其导热能力的固有性能参数。几种主要材料在20 ℃的热导率见表1。

由此可知，在一定结构尺寸下，材料自身热导率越高，其对传热的阻力越小，散热能力越好。高分子类有机聚合物，由于分子链的无序缠结，分子质量的多分散性及分子链振动对声子的散射，无法形成完整晶体，热导率较金属晶体或无机非金属化合物偏低。因此，金属或陶瓷等普遍被用做传热材料，如金属散热器、散热鳍片或陶瓷散热片等。但金属或陶瓷材料存在密度大、难于加工成型、成本高和无法适应不同形状导热界面的缺点。特别是在和热源器件直接接触中，由于固体表面在微观上粗糙不平，研究显示，即使2固体表面接触压力高达10 MPa，其实际接触面积仅占名义面积的1%～2%，其他部分的微观缝隙中充斥的是低热导率的空气，导致界面热阻很大，对热量传递的阻碍作用不可忽视。包括导热胶带在内的导热界面材料，其作用就是填充在接触面之间，驱除微观缝隙内的空气，降低界面热阻。

2 导热界面材料

导热界面材料主要应具备以下特性：①高热传导性；②良好表面湿润性；③适当的粘性；④可压缩性和柔软性；⑤适合的热线胀系数；⑥长期使用的稳定性；⑦容易施工和处理等。市场常见界面材料包括：导热脂、导热胶带、导热衬垫、相变材料、导热胶水和焊接材料等。除焊接材料采用熔化金属填充缝隙的方式外，其他界面材料都利用高分子材料所具有的流动性和湿润性排出缝隙中的空气。但一般高分子材料的热导率较低，本身具有良好导热性能的聚合物价格昂贵且性能上缺乏稳定性，因此大部分导热界面材料都是在高分子基材中填充高导热性的填料而制成的。填充料包括绝缘的氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）或导电的铝粉、银粉等。其相应热导率和密度见表2。

3 压敏胶基导热胶带

导热胶带可以是在支撑材料（如聚酰亚胺薄膜、玻璃纤维布及铝箔等）单面或双面涂敷导热压敏胶的胶带，也可以是无基材的胶膜类产品。其主要目的是作为散热器件的贴合材料，节省机械固定装置，从而降低设备成本，减小空间预留尺寸；同时实现导热、绝缘和固定的功能。导热胶带的施工与压敏胶带相同，相对其他液态导热脂、导热胶水等，明显简化了工艺过程。一般而言，导热胶带的应用主要是粘接特性，因此导热颗粒填充量有限，热导率通常范围是0.6～1.5 W/mK，适合于小功率器件的应用。

4 导热压敏胶带的性能和测试

导热压敏胶带的粘接要求与一般双面胶大致相同，其粘接强度和环境老化性能的测试，除胶带的剥离强度、剪切强度外，还可以参照其他相应标准。如国际常用UL-746C标准评估聚合物材料长期使用的工作温度范围。其求解方法为：预估一个性能值，如粘接强度等重要性能，规定其降低量不能大于50%。然后在几个较高的老化温度下测出老化后的性能变化量，使用描点法将达到要求所需时间的对数与绝对温度的倒数的关系在图中表示出来，用回归分析的最小面积法把各点用直线连接起来。时间-温度关系式为式（3）：

Ln（t）=A+B/T （3）

式中：A为常数（频度因子）；B为激活能（能量常数）；T为绝对温度（K）；Ln为自然对数。

通过求解系数A和B，估算出待测试材料能满足使用性能的相对热指数。再考虑正常情况下可能遇到的环境条件，及可预见的滥用状况，推算该材料预计使用温度和使用寿命的关系。例如美国3M公司的88系列导热胶带，在经过1 000 h/150 ℃高温老化测试、高湿测试和冷热循环测试后，根据该标准推算的测试结论为：在使用温度不超过100 ℃的环境下，使用寿命大于40 000 h。

评估导热胶带的传热性能可分为2个方面。一方面是产品本身固有的热导率，及厚度、硬度等，这些参数的典型值是在相关标准的规定下测得，如热导率可以根据ASTM标准D5470中相应方法测定；另一方面是胶带实际工作中的使用性能，即以热阻或热阻抗表示的传热效率，它是胶带本身的热阻和与接触界面的接触热阻的组合，其数值不但包括界面面积、胶带厚度和压缩量等几何尺寸，也包括接触表面的粗糙度，以及胶面与接触面的湿润状况。

根据热传导原理，材料的热阻和其厚度成正比。理论上讲，对同样均匀结构胶带，其厚度越薄对传热的阻碍越小；但胶带厚度的增加同样对界面上缝隙的湿润能力增加（图1）。

图2中将铝制散热片用胶带贴敷在玻璃板上，从玻璃面可以观察到其湿润面积随厚度的增加而增大。当湿润面积增加时不但粘接强度增大，相应界面热阻也会减小。对于整体热阻来说，胶带厚度的增加一方面增加本身的热阻，同时减小界面热阻，是一个相反的趋势。因此在选取胶带厚度时，需要综合考虑其本身的热导率和湿润性，选择一个优化的平衡点。

5 导热胶带使用工艺

除压敏胶自身的成分和厚度外，贴合时施加的压力、施工温度、建立强度的时间，及粘接表面性质如粗糙度、表面能等都对最终性能有很大影响。导热胶带的施工和使用与一般压敏胶带类似，包括粘接表面的预清理，手工或机械贴敷及保压，及后续养护至胶带完全湿润表面以建立粘接强度的工艺过程。需要注意的是：（1）应保证被粘物表面无油脂、灰尘等污染物，适当使用溶剂清洁；（2）粘接过程需施加一定均匀的压力，一般不超过103 kPa，保压时间通常为数秒；（3）提供一定的养护时间以建立粘接强度。一般在适当温度下养护72 h，避免粘接的部件过早置于低温环境或承受载荷；（4）施工环境温度保证在15 ℃以上，必要时可采用局部加热的方法。

6 导热胶带应用

导热压敏胶带的应用对象为一些小功率、对温度敏感、而且空间有限无法配置主动散热的元器件。这其中包括功率芯片散热片的粘接、电源整流管与散热器的固定等，LED背光源电视中发光二极管 （LED）的散热也是其最主要的应用之一。

LED背光源电视按光源入射位置可分为直下式和侧入式2类。目前市场主流的侧入式是将LED以灯条形式安装在经过特殊设计的导光板侧边作为背光源。LED的原理决定其工作温度对使用性能有很大影响，不但LED的光衰寿命随温度升高而呈指数减少，发光的波长也会随温度的不同产生小幅度偏移，需要对其配置适当的散热方案。在侧入式电视中，通常设计将LED灯条热量传至铝制散热器或散热背板进行散热。

由于电视使用寿命的要求，LED灯条和背板之间无法像计算机内一样采用导热油脂等易老化失效的产品。业界少数厂家使用螺丝直接紧固的方法。但灯条和背板均为硬质材料，其微缝隙中的空气无法驱除。而且由于紧固位置靠近螺丝的地方贴合紧密，导热相对其他位置较好。热模拟分析显示，灯条上LED颗粒的温度呈周期性变化。虽然短期内对LED工作温度的差异影响较小，但仍然有可能导致LED颗粒间亮度衰减不一，长期使用一致性下降，屏幕出现亮度不均匀的情况。更为严重的是，液晶面板中具有多层光学膜片，如果与LED灯条接近的边缘受热不均，也会出现不同程度的翘曲，导致屏幕显示不均匀。使用螺丝安装的另一问题是需要在灯条的铝质基板上打孔，采用冲压等机械方式容易引起灯条的变形，而激光等非接触工艺又会带来成本的上升和生产效率的下降。兼具传热性能和粘接性能的导热胶带成为LED灯条安装的更佳选择。

使用导热胶带灯条被直接粘接在铝散热器上，可以省略固定螺丝的使用。导热胶带具有良好的厚度和材质的均匀性，可使各部分传热均衡，避免了因螺丝位置引起紧固力周期性影响而导致LED使用温度不均匀的现象。同时采用导热胶带粘接方案安装LED灯条较其他工艺具有更高的可靠性，在各项加速老化的环境测试如冷热冲击测试中，其热阻基本保持稳定。业界测试能够满足对电视工作条件下100 000 h的寿命要求。市场实际LED背光源电视的LED灯条粘接就使用胶带的粘接方案。而这一方法已经成为市场同类产品制造的主流。

7 结语

压敏胶基导热胶带，在提供粘接作用的同时，兼具填充元器件接触面间微缝隙、减小界面热阻的功能。可以满足流水线装配工程的需要，提高生产效率；免除打孔、螺丝紧固等加工成本。在LED背光源电视的灯条安装工艺中，得到越来越广泛的应用。

参考文献

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