​氮化硼导热垫：特性、应用和选购指南

氮化硼导热垫：特性、应用和选购指南

电子系统变得越来越密集、发热量越来越大，容错率也越来越低。因此，热管理已经从工程上的附属考虑因素上升为至关重要的设计支柱。氮化硼导热垫提供了一种实用的桥梁：它们将固态导热路径与电绝缘性和易于制造的特性结合起来。

现代电子产品无法忽视的散热问题

如今，电路板在更小的空间内集成了更多的功率。这会导致剧烈的温度梯度和局部热点，从而对硅胶导热垫片和被动元件造成压力，降低垫片性能，并加速故障模式的发生。

导热界面材料必须降低界面热阻，同时还要能承受振动和湿度等原位应力。传统的导热界面材料无法满足这些要求。例如，导热膏在微米级表面匹配和精确夹紧压力下性能良好，但容易受到污染，并且增加了自动化组装和长期维护的难度。普通的导热硅胶垫和弹性体有时缺乏高TDP模块所需的导热性。

氮化硼导热垫介于这两种极端情况之间——它们在保持稳健性和可重复性的同时，还具有相对较高的导热性。氮化硼填充物在柔性基板内形成导电网络，通过声子接触和渗流接触传递热量。由此产生的界面产品能够在不牺牲介电隔离性的前提下，降低不同间隙宽度之间的温差 (ΔT)。

什么是氮化硼导热垫？

氮化硼导热垫通常由聚合物基体构成，基体上填充有六方氮化硼（h-BN）片层。聚合物提供弹性，h-BN片层则形成连续或半连续的导热通路。为了增强操作性或实现多功能性，通常会在基体材料上层压添加增粘剂、粘合层或电磁干扰屏蔽层等添加剂。当片层在压缩下排列时，可以利用各向异性热传输将热量导向散热器。这种排列降低了界面接触电阻，并在相近的粘合层厚度下，使其性能优于未填充的弹性体。

氮化硼导热垫片在实际的接触温度（BLT）下相对于硅胶导热垫片通常具有更高的有效介电常数（k值），它们的介电性能通常优于金属填充垫片，并且其电偶中性特性降低了腐蚀风险。 标准硅胶或丙烯酸树脂垫片可能更便宜且更易于贴合，但在较大间隙的情况下，它们通常会损失散热余量。

氮化硼导热垫的核心特性

热导率 (k) 是一个单点指标，它不能反映接触电阻、BLT 或各向异性，实际性能需要将 k 与目标压缩厚度下的热阻抗 (R″) 一起读取。

电气绝缘和介电强度优势。大多数氮化硼垫片都具有电绝缘性。
其高介电强度使其适用于存在导体或裸露线路的场合，在相同的测试条件下比较介电击穿值，以确保符合系统安全要求。

可压缩性、柔软性和贴合性。两个最重要的机械参数是初始邵氏硬度和压缩永久变形，较低的邵氏硬度值可以改善粗糙表面的润湿性，但可能会增加冷流的风险，较低的压缩永久变形对于需要多年保持接触完整性的固定组件至关重要。

长期可靠性。压缩永久变形量化了垫片在持续压缩应力后无法回弹的程度，热老化会使基体变硬或变软，具体取决于聚合物的化学性质和填料的相互作用。

氮化硼导热垫在应用中的效果

高性能处理器和GPU。服务器、计算加速器和高端GPU会产生高度集中的热通量，氮化硼垫片兼具导热膏的高性能和垫片的实用性，尤其适用于需要电绝缘或间隙高度波动的情况。

汽车电子和电源模块。DC转换器和车载充电器中，可靠性至关重要，低压缩永久变形和高介电强度的氮化硼导热垫片能够在振动和热循环下保持热通路畅通，从而减少现场故障。

电信和 5G 基础设施硬件。远程无线电单元和基带模块在恶劣环境下运行，需要可预测的热性能，氮化硼导热垫可在较大公差范围内保持热连续性，而传统导热膏则可能被挤出或无法形成桥接。

工业控制系统。严苛的环境条件要求材料不发生冷流或气体逸出，采用合适的聚合物化学成分的高品质氮化硼（BN）垫片能够满足这些要求，并确保组件在热安全范围内运行。

如何选择合适的氮化硼导热垫

将导热系数与您的热负荷相匹配。首先确定热预算（W）和可接受的温差（°C），计算目标R″值，并选择数据手册中在压缩BLT条件下R″值相近的垫片。

选择合适的厚度和粘合线目标。在生产过程中测量堆叠公差，并选择一个标称垫片厚度，使其在预期夹紧力下压缩到目标 BLT。如果组件的夹紧力变化范围很大，请选择压缩范围较宽的垫片，以确保接触一致。

评估硬度、粘性和表面润湿性。硬度会影响人工操作和接触可靠性。粘合剂（粘性）选项有助于自动化贴装，但可能会增加返工难度。评估其在特定基材表面的润湿性能，以确保均匀接触。

购买前的合规性、认证和质量检查。向供应商索取测试证书：RoHS、UL 阻燃等级（如适用）、气体释放报告以及任何必要的严格领域测试（医疗灭菌兼容性、航天飞行气体释放等）。

氮化硼导热垫与其他导热界面材料的比较

氮化硼导热垫与硅胶导热垫相比较而言，硅胶垫用途广泛且经济实惠。氮化硼垫在BLT效应复杂且需要介电中性的情况下，可提供更高的有效导电性。

如果生产线吞吐量和最低初始成本最为重要，那么硅胶垫可能可以接受；如果散热余量和使用寿命至关重要，那么氮化硼是更好的选择。

氮化硼垫片与导热膏相比较，在超薄基板上，高夹紧力下导热膏的性能通常优于导热垫，然而，导热膏存在性能不稳定、返工成本高和污染风险等问题。 对于追求重复性的生产线而言，氮化硼（BN）导热垫通常具有更高的生命周期投资回报率。

在某些高填充条件下，间隙填充材料和相变材料的性能优于氮化硼导热垫，然而它们也带来了复杂性、固化、粘度控制或潜热动力学等问题。当设计能够充分利用粘性流动或相变特性时，应选择这些材料，否则，氮化硼焊垫仍然是务实的默认选择。

关于氮化硼导热垫的常见问题

氮化硼导热垫是否具有电绝缘性？

大多数配方都具有电绝缘性。请参考产品数据手册确认其介电强度和测试条件。

氮化硼导热垫可以取代CPU上的导热硅脂吗？

答案是肯定的——在许多生产环境中，重复性比绝对峰值导热系数更重要。然而，在紧密夹持、超薄的BLT（双层管路）应用中，导热硅脂仍然更胜一筹。

氮化硼导热垫应该多厚？

选择一个标称厚度，使其在预期夹紧力下压缩至目标BLT值。典型的初始厚度范围为0.5毫米至1.5毫米，但务必进行测量和验证。

氮化硼垫片在实际应用中能用多久？

其寿命取决于聚合物的化学性质、工作温度和机械载荷。优质材料，尤其是压缩永久变形小的材料，在设计条件下可稳定使用多年。

选择氮化硼导热垫是一项系统性决策。需要考虑散热预算、几何公差、生产工艺和生命周期经济性。当可靠性、电气绝缘性和可预测的长期性能至关重要时，氮化硼导热垫是一种极具吸引力且易于生产的解决方案。

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