【技术】TE connectivity散热桥技术克服传统热控制技术的大部分限制，实现电子设备散热领域的创新

时间： 2021-05-20 来源：TE Connectivity

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热管理涉及从消费电子产品到高端航空航天技术等诸多领域。随着电子产品不断小型化以及电源密度的不断提高，热管理已经成为许多设计工程师要考虑的关键因素。

任何电子设备和电路都会产生额外的热量。标准台式电脑或智能手机所散发出的热量就是一个例子。提高电路密度可以支持更多性能。这样能够满足市场对降低成本同时拥有更加轻薄、小型化产品的双重需求。随之而来的是设备产生更多的热量，市场对更加优化的、更具成本效益的热管理需求日益增长。可以说，数据通信和无线（尤其是 5G）、高性能计算、以太网交换机替代/置换 (SP) 路由和服务器是最能“感受到热量”的市场和技术领域。

传统散热方案

不难理解，电子设备的效率与其温度成反比。如果不考虑其他能量交互，那么输出的热量等于输入的功率。这意味着，设备温度的升高会导致整体性能下降。热负荷会导致接触点温度过高、元件寿命缩短和设备过早失效。传统的电子元件通过多种方式进行散热，包括各种类型的散热器、热电冷却器、强制通风系统、风扇，以及热管等。虽然在一些极端寒冷的应用中，电子元件甚至可能需要加热。此白皮书将聚焦现有散热技术及其优缺点，进而介绍一种性能优于传统散热方案的新技术。散热器的作用是，通过增加与空气接触的面积使设备的最高工作温度低于其设计极限。在此过程中，散热器的工作原理是，与空气的接触面积越大，流向空气的热量就越多。散热器性能（包括自然对流、强制对流、液体冷却及这些功能的组合）是一个涉及材料、形状和表面传热系数的函数。基于这些因素，通过提高散热器材料的导热系数、增加表面积（通常通过添加翅片或金属等表面）和增加整体面积换热系数（通常通过添加风扇、泵和类似设备）来改善热性能。散热器广泛应用于电子领域，对现代微电子和集成电路（如微处理器、DSP、GPU 等）的可靠和高效性能至关重要。在许多设计案例中，散热器被专门设计为与电子元件热表面接触的金属板。设计工程师也常在表面之间增加一个薄的热界面。

图 1：电子设备和电路会产生额外的热量

散热器通常由已知的热导体制成，如银、铜或铝合金。铜和铝是电子设备中最常用的材料。铜的导热系数为401瓦特/米开尔文（即在 300 K 下，401 W/[m·K]），通常比铝（即在 300 K 下，237 W/[m·K]）的成本更高。然而，铜的导热效率大约是铝的两倍。铝作为导热体的优势在于，它易于挤出成型，使得复杂截面的制作相对容易。铝的重量也轻于铜，产生的机械应力更小，且有助于设计工程师减轻设备的重量。有些散热器采用铝制成，但使用的是铜芯，这样就最大限度地发挥这两种材料的最佳热性能和重量特性。为了保证与被冷却装置的最佳热接触，散热器的接触面应尽可能平整、光滑。为了将热量传递到散热器，应使用热界面材料 (TIM) 来消除气隙。产生这种气隙是原因通常是由于零件表面不完全平坦。由于空气是相对较差的热导体，热源与散热器之间存在的气隙有损传热效率。为了消除气隙，可以使用散热垫或由胶体银等材料制成的导热油脂来改善热接触。在某些情况下，还可以使用夹持机构、螺钉或热粘合剂将散热器固定在部件上。

散热垫

散热垫（也称为导热垫或热界面垫）是由固体材料（通常是石蜡或硅基材料）预成型的方形或矩形垫片，填充有导热填料。它通常被放置在散热器的底部，帮助热量从被冷却部件中传导出去。散热垫作为一种所谓的相变材料可以改变自身的物理特性。在室温下，它是坚固的。可以在这个阶段对其进行切割，以适应任何表面，使其易于应用。当设备的温度随着使用而升高时，热垫就会软化，贴合设备和散热器表面，填补任何潜在的气隙。通常，即使散热垫性能良好，它也无法像热涂胶（也称热油脂、热化合物或热糊）那样有效地去热。散热垫作为一种常用的热界面材料，直接应用于电子元件的表面。而热涂胶通常是管状或注射器状的，易于使用。然而，热涂胶也可能无法达到整洁的效果，不能充分填补巨大气隙。热涂胶在使用时的另一项挑战是，准确地控制用量：用量过少会残留气隙，过多则会导致外溢，可能污染关键部件。

TE 的散热桥技术克服了以往热控制技术的大部分限制，如设计、磨损、压缩性、可靠性和散热性能。

压缩

当散热垫被插入电子元件和散热器之间时，会受到压缩。为了通过散热垫获得良好的热性能，必须实现高水平的压缩，以减少热阻。不过，由于散热垫的粘弹性（即变形时会表现出粘性和弹性特征），它会随着时间的推移而凝结和松弛。由于这些特性，热阻性能通常会在多次循环后降低。

全新的解决方案

与散热垫和热涂胶相关的性能缺陷直到最近才处于可控范围内。然而，面对不断小型化和电源密度提升的需求，设备设计工程师仍在遭遇挑战，需要创建满足严格性能要求的解决方案。面对内置固定散热器的应用（例如在冷却板、液体冷却板或远程射频设备 (RRU) 中，散热器或冷却板位于固定位置，需要直接连接输入/输出 (I/O) 端口或插头）中日益严峻的散热挑战，TE connectivity (TE) 开创了一种新的无风扇散热解决方案。这种被称为散热桥技术的TE解决方案为传统散热垫或热界面材料提供了一种机械替代方案。散热桥技术可以提供卓越的热阻性能，而不完全依靠高水平的压缩或力来实现理想的热传递。作为散热垫的机械版替代方案，散热桥解决方案提供了较低且持续稳定的压缩力，可防止因长久使用导致的变形或松弛。不同于散热垫通常无法重复使用，必须进行维修和更换，散热桥技术具有持久性，减少系统维护时的组件更换。散热桥技术取代了传统的散热垫或 TIM，集成了机械弹簧，可以提供界面力和 1.0 毫米的压缩行程。通过更高的散热桥，压缩行程可以增加到 1.0 毫米以上。热传递是通过散热桥上的散热叠板来实现的，这些叠板使得热量从 I/O 模块传递到冷却区域。散热桥技术适用于任何 I/O 形状规格。TE 散热桥解决方案目前支持小型可插拔接口 (SFP)、小型可插拔双密度接口 (SFPDD)、四通道小型可插拔接口 (QSFP) 和八通道小型可插拔双密度接口 (QSFP-DD) 应用。

图 2：散热桥技术

性能比较

对于设计工程师来说，关键的性能指标之一是使热界面材料的有效性达到最大化所需要的压缩力。在使用散热垫的应用中，压缩地越多越好。然而，这种情况的主要缺陷是，随着设备尺寸的增加，所需的压缩力急剧增加，这反过来又增加了实现这些力所需的组件的数量。设计规范中可以要求使用固定螺丝和其他机械装置，以便在设备和散热器之间的所有界面处提供必要的压缩。而其结果是，设计更加复杂化，成本更高昂，同时设备的重量也会增加。相比之下，散热桥技术使设计工程师可以将精力集中在设备本身及其工作特性上，而不是集中在机械压缩设备（如螺丝和压紧装置）所施加的限制上。例如，使用 QSFP 的规格时，将传统的 3 W/mK 散热垫压缩 0.4 毫米，大约需要 220 牛顿 (N) 的力，而散热桥只需要大约 10 N 的力，同时热阻值优化了近两倍。这可以极大地简化整个机械设计，并提升整个应用中的一致性。

运行特点

散热叠片利用许多高度平行的传热板进行传热，使热量从热源传递到冷却区。散热桥包括集成的机械弹簧，可以提供适当降低且一致的界面力和缩短至 1.0 毫米的压缩行程。其结果是在一个高度可压缩的容器中形成了一个具有良好的热传递性能的散热桥。其他优点还包括：

• 在性能上，比多数传统热阻技术提升两倍

• 针对使用配备有液体冷却板或热导管冷板的应用，以及气流很少或没有气流的联合散热器或直接机架传导应用进行了优化

• 随着时间的推移，其耐磨，弹性压缩设计可以保持稳定的热性能，抵抗凝结和松弛

• 热源与冷却液之间的压缩力低且持续稳定

• 比多数传统散热技术的寿命更长，避免在维修过程中更换部件TE 的散热桥技术克服了以往热控制技术的大部分限制，如设计、磨损、压缩性、可靠性和散热性能。

因此，它为即将到来的高性能计算时代打开了全新视野。

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2021/12/16 - BOYD - 选型指南代理服务技术支持采购服务

景图（Gentone）导热凝胶/导热垫片/绝缘垫片/相变导热材料/储热材料选型指南

目录- 公司概况选型速查表单组份导热凝胶双组份导热凝胶常规导热垫片超软导热垫片高回弹导热垫片导热绝缘垫片低渗油导热垫片低挥发导热垫片相变化导热材料导热硅脂导热吸波垫片半导体底部填充胶储热材料

型号- RDP-08020,HRGP 系列,LBGP-03040,ZGP-03060,LBGP-05060,RDP-08025,NSGP 系列,RGP-03055,RGP-02040,PCGP-03000,LBGP-08065,RDP-12010,RDP2-02060,IGP-02040,RSG-01500,RDP 系列,RGP-03060,GTHZ-110 110J,RGP-07025,RGP-03025,RGP-06050,HRGP-06050,RSG-03000,RDP2,LVGP-08065,CUF105+,PCGP,RDP2-06060,IGP-02041,RDP-09010,CUF106,RDP-06015B,RGP-02060,IGP-03045,IGP 系列,CUF109,CUF108,CUF107,RDP-02060,NSGP,LBGP 系列,RDP-06020,HRGP-02050,LVGP,HRGP,RGP-12070,LVGP-05060,PCGP-05000,RDP-06015Y,LVGP-03040,RDP2 系列,RDP,CUF110,PCGP 系列,GTHZ-110,RSG-05000,RGP-03045,HRGP-03050,IGP,RDP-03530,RDP2-09070,NSGP-02060,NSGP-03070,LBGP,RDP2-03570,LVGP 系列

2023/9/19 - 景图 - 选型指南代理服务技术支持采购服务

RSG-03000 3W 高性能导热硅脂

描述- 本资料介绍了RSG-03000高性能导热硅脂，一种用于解决微小间隙热界面填充的材料。该产品具备优异的导热性能、低粘稠度和良好的工艺性，适用于多种高温和高功率密度的应用场景。

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2023/11/15 - 景图 - 数据手册代理服务技术支持采购服务

中石科技公司及产品介绍

描述- 中石科技（JONES）是一家致力于提高智能电子设备可靠性的整体解决方案服务商。核心产品包括热管理材料、屏蔽材料、EMC滤波器、EMC/EMP设计整改及解决方案，应用于智能终端、智能家居、通讯、可穿戴设备、数据服务器、医疗、新能源汽车等诸多行业。中石科技（JONES）拥有经验丰富的自主研发团队，独立的研发中心以及工程中心，先进的制造基地，以及遍布海内外的完整的市场销售网络。

型号- 21-690-0017,21-655-0200,21-655-0150,21-660-0070,21-650-0100,21-630-0350,21-630-0150,21-670-0070,21-610系列,21-670-0050,21-630-0080,21-670-0040,21-670-0032,21-670-0100,21-630-0200,21-610,21-630-0100,21-670-0025

2021/10/29 - 中石科技 - 商品及供应商介绍代理服务技术支持采购服务散热方案设计

专为工业大功率设计，爱美达（Aavid）提供综合热管理解决方案——世强硬创沙龙2019

描述- Thermal Management Critical to Products that Keep the World Running

爱美达 - 培训文档-市场策略及竞争分析代理服务技术支持采购服务散热方案设计

电动汽车（EV）电池的材料解决方案

描述- 本文探讨了电动汽车（EV）电池材料解决方案，强调了在电动汽车和其他电动移动应用中，电池不仅对功能至关重要，而且对市场接受度也至关重要。文章指出，随着电动汽车市场的持续增长，需要开发更安全、更可靠、充电更快、提供更大续航范围的电池。文章还讨论了影响电池功能和性能的因素，如恶劣环境、噪音、振动、冲击、过热、灰尘和液体污染、电磁干扰等。文章强调了工程材料解决方案在减轻这些因素方面的作用，并探讨了材料科学设计挑战，旨在帮助工程师理解材料应用在提高系统开发和创新设计中的作用。

2023/4/18 - BOYD - 白皮书代理服务技术支持采购服务

爱美达（AAVID）5G综合热管理解决方案——世强硬创沙龙2019

描述- Thermal Management Critical to Products that Keep the World Running

爱美达 - 培训文档-市场策略及竞争分析代理服务技术支持采购服务散热方案设计

【应用】采用散热桥创新设计的泰科QSFP-DD光鼠笼解决方案，有效解决高速率400G ZR散热问题

一开始采用的光鼠笼方案是普通的散热片方案，现需求20W以上的散热方案。针对高速率400G ZR的散热问题，泰科（TE connectivity）研发推出了最新散热创新技术，与传统的散热技术（如间隔垫或散热垫）相比，其热传导能力提高2倍，采用散热桥技术，应用散热桥技术可以大大提升设备的光电口的散热问题。

2022-07-20 - 应用方案代理服务技术支持采购服务

企业解决方案

2021/11/17 - BOYD - 商品及供应商介绍代理服务技术支持采购服务

LGA4189插座说明书

描述- 本资料为LGA4189插座安装指南，详细介绍了从表面贴装技术（SMT）到插座安装的步骤。内容包括插座系统组件（插座、支撑板、背板、载板和防尘盖）的正确使用，以及处理器散热模块（PHM）的组装和拆卸过程。指南强调了组装过程中的注意事项，如防尘盖的安装、处理器和散热器的正确对齐，以及热界面材料的处理。

型号- X-2330552-X,X-2324271-X,X-2330550-X,X-2330551-X,X-2332283-X,2-2330553-1,LGA4189

20th Mar' 20 - TE CONNECTIVITY - 用户指南 - Rev.A 代理服务技术支持采购服务

Infineon HybridKIT用液体冷板™ DSC数据表

描述- 本资料介绍了Infineon HybridKIT™ DSC液体冷板的设计和应用。该冷板专为冷却Infineon创新的Double Sided Cooling (DSC) Automotive IGBT模块而设计，具有单进口和单出口，内部几何形状优化以均匀冷却最多三个HybridPack™ DSC IGBT封装的两面。它包含预组装的热界面材料（TIM）的三块HybridPack™ DSC IGBT模块，并配备栅极驱动器和逻辑板以及DC-link电容器，便于实验室评估。

2020/03/31 - 爱美达 - 数据手册代理服务技术支持采购服务

Therm-A-Form™CIP35导热原位固化化合物

描述- Parker Chomerics推出的THERM-A-FORM™ CIP35是一种热导率高达3.5W/m-K的热传导硅橡胶弹性体，适用于敏感冷却应用。该材料可手工或机器人喷涂，固化后形成复杂几何形状，用于电路板（PCB）上多高度组件的散热，无需额外模具片成本。CIP35提供多种规格和配置，具有高热导率、柔韧性、易用性等优点。

型号- THERM-A-FORM™ CIP35,65-5P-CIP35-10452,THERM-A-FORM CIP35,65-1P-CIP35-5600,65-00-CIP35-0200,65-00-CIP35-0045,65-00-CIP35-1200,CIP35,65-00-CIP35-0400

12/8/18 - PARKER CHOMERICS - 数据手册代理服务技术支持采购服务