Chọn Quạt, Heatsink, Thermal Pad Hay Thermal Grease Cho Thiết Bị Điện Tử Công Suất Cao
Linh kiện bán dẫn SiC, GaN có mật độ công suất cao, kích thước nhỏ, nên nhiệt sinh ra tập trung trên diện tích chip rất hẹp. Câu hỏi giải pháp tản nhiệt nào đang được dùng nhiều nhất thường được đặt dưới dạng chọn một trong bốn, quạt, heatsink, thermal pad, thermal grease. Cách đặt này cần chỉnh lại một chút, vì bốn thành phần nằm ở các vị trí khác nhau trên cùng một đường truyền nhiệt, phần lớn thiết kế dùng kết hợp nhiều thành phần. Bài viết giải thích vai trò của từng thành phần, cách chọn vật liệu giao diện nhiệt, ảnh hưởng của nhiệt độ lên phép đo.
Quạt, heatsink, thermal pad, thermal grease khác nhau ở vai trò nào, có phải chọn một trong bốn không?
Nhiệt đi từ chip qua vỏ linh kiện, qua lớp vật liệu giao diện nhiệt, vào heatsink, cuối cùng thoát ra không khí. Mỗi thành phần đảm nhận một đoạn.
Có diện tích tiếp xúc lớn với không khí, nhận nhiệt từ linh kiện rồi tỏa ra môi trường.
Thổi luồng khí qua heatsink, tăng lượng nhiệt mang đi, dùng khi tản nhiệt tự nhiên không đủ.
Là vật liệu giao diện nhiệt (TIM) nằm giữa linh kiện với heatsink. Bề mặt kim loại dù gia công kỹ vẫn còn khe hở rất nhỏ, chứa không khí, mà không khí dẫn nhiệt kém, khoảng 0,026 W/m·K. TIM lấp các khe này bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt hơn.
Vì vậy thermal grease với thermal pad là 2 phương án thay thế nhau cho cùng một vị trí. Quạt với heatsink không thay thế cho TIM, chúng bổ sung cho nhau.
Tổng điện trở nhiệt quyết định nhiệt độ chip như thế nào?
Nhiệt độ mối nối của chip có thể ước tính bằng công thức chuỗi điện trở nhiệt.
Một tài liệu kỹ thuật về thiết kế nhiệt cho mạch RF nêu ví dụ minh họa, bề mặt tiếp xúc không có TIM cho điện trở nhiệt giao diện khoảng 2 tới 20 °C/W, có TIM giảm còn khoảng 0,05 tới 1,0 °C/W.
Số liệu minh họa của một tài liệu kỹ thuật, không phải giá trị chung cho mọi sản phẩm.
Đây là con số của một tài liệu, mức thực tế phụ thuộc vật liệu, độ phẳng, lực kẹp. Ví dụ cho thấy lớp giao diện có thể chiếm phần đáng kể trong tổng điện trở nhiệt, nên chọn TIM không phải khâu phụ.
Thermal grease hay thermal pad phù hợp với trường hợp nào?
| Tiêu chí | Thermal grease | Thermal pad |
|---|---|---|
| Độ dày lớp tiếp xúc | Rất mỏng khi có đủ lực kẹp | Dày hơn, phụ thuộc độ dày miếng |
| Điện trở nhiệt giao diện | Thường thấp hơn | Thường cao hơn |
| Bù khe hở lớn, bề mặt không phẳng | Hạn chế | Phù hợp, miếng mềm ép theo bề mặt |
| Linh kiện cao thấp khác nhau trên cùng bo | Khó | Phù hợp, chọn độ dày từng vị trí |
| Chu kỳ nhiệt kéo dài | Có thể bị đùn ra ngoài (pump-out), khô dần (dry-out) | Ít bị pump-out hơn |
| Thao tác, vệ sinh | Dễ lem, khó đều tay | Gọn, cắt sẵn, lặp lại tốt |
Pump-out xảy ra khi linh kiện với heatsink giãn nở khác nhau qua các chu kỳ nóng lạnh, ép dần lớp keo từ giữa ra mép, làm lớp giao diện dày lên, điện trở nhiệt tăng theo thời gian.
Với thermal pad, cần chọn độ dày theo khe hở xấu nhất sau khi tính dung sai của linh kiện, bo mạch, heatsink, vít, không chọn theo ước lượng bằng mắt. Không nên xếp chồng nhiều miếng để bù, vì khe hở giữa các miếng thêm điện trở nhiệt.
Dạng rắn ở nhiệt độ phòng, mềm ra khi nóng, ít bị pump-out hơn keo nhưng cần áp lực kẹp.
Nên đọc thông số vật liệu giao diện nhiệt thế nào để không chọn nhầm?
Độ dẫn nhiệt (W/m·K) trên nhãn là thông số của vật liệu khối, chưa phản ánh toàn bộ lớp giao diện.
Một nhà cung cấp lưu ý không nên thay vật liệu này bằng vật liệu kia chỉ vì giá trị W/m·K quảng cáo cao hơn. Thông số đáng so sánh hơn là điện trở nhiệt hoặc trở kháng nhiệt ở độ dày, áp lực kẹp đã nêu. Các điểm nên xác nhận gồm các mục dưới đây.
- Phương pháp đo
- Độ dày
- Dung sai
- Đường cong ép (với miếng)
- Khả năng cách điện
- Dải nhiệt độ làm việc
- Dữ liệu chu kỳ nhiệt
Với keo, lượng bôi cũng ảnh hưởng nhiều, lớp quá dày làm tăng điện trở nhiệt, lớp quá mỏng dễ bị đùn ra.
Heatsink thụ động hay quạt cưỡng bức, mỗi loại hợp với mức công suất nào?
Công suất rất lớn thường chuyển sang tấm tản nhiệt chất lỏng, nằm ngoài phạm vi bài này.
Hai điểm sau là kiến thức chung của ngành. Thứ nhất, heatsink nối với nút chuyển mạch tạo tụ ký sinh, có thể làm tăng nhiễu điện từ, nên cần cân nhắc nối đất heatsink.
Thứ hai, động cơ quạt có thể phát nhiễu lên đường nguồn, cần lọc hoặc tách nguồn quạt khỏi mạch đo nhạy.
Nhiệt độ ảnh hưởng thế nào đến phép đo trên linh kiện SiC, GaN, giảm sai lệch ra sao?
Tektronix nêu SiC, GaN có mật độ công suất cao, kích thước nhỏ, hiệu suất ở nhiệt độ cao tốt hơn silicon, tần số cao hơn, điện trở dẫn thấp hơn. Mật độ công suất cao cũng làm hiện tượng tự nóng (self-heating) rõ hơn. Khi chip tự nóng trong lúc đo, nhiệt độ kênh dẫn tăng, dòng điện đo được thay đổi, nên kết quả phản ánh cả linh kiện lẫn mức tự nóng. Một nghiên cứu về GaN HEMT cho thấy dòng bão hòa giảm khi nhiệt độ kênh tăng, dù tăng do tự nóng hay do gia nhiệt bên ngoài. Linh kiện đo trần, chưa có tản nhiệt tốt, càng dễ gặp hiện tượng này.
Các cách giảm sai lệch, theo tài liệu kỹ thuật về đo kiểm SiC, GaN.
Một bài kỹ thuật về kiểm tra GaN, SiC nêu xung đo dưới 50 µs giúp tránh hiện tượng tự nóng ảnh hưởng độ chính xác đặc tính I-V. Đo xung dòng cũng giúp kiểm soát tự nóng khi đo điện trở dẫn.
Dùng phép thử xung kép (double pulse test) để đo thông số đóng cắt. Phương pháp này được dùng rộng rãi cho linh kiện bán dẫn băng rộng, có thể thực hiện bằng máy phát hàm AFG với máy hiện sóng. Tektronix có giải pháp WBG-DPT chạy trên máy hiện sóng 5 Series MSO, tự động hóa các phép đo đóng cắt cho GaN, SiC.
Ghi lại nhiệt độ vỏ hoặc heatsink, chờ nhiệt ổn định trước khi đo, giữ nhất quán lớp TIM (loại, độ dày, lực kẹp) giữa các lần thử để kết quả so sánh được. Đây là khuyến nghị chung, chưa trích từ tài liệu của hãng.
Tách ảnh hưởng tự nóng khỏi ảnh hưởng gia nhiệt bên ngoài bằng đo xung, như cách nghiên cứu học thuật đã dùng để xác định điện trở nhiệt kênh dẫn.
Quy trình chọn giải pháp tản nhiệt cho một bo mạch công suất cao gồm những bước nào?
Xác định công suất tiêu tán lớn nhất của từng linh kiện, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ mối nối cho phép.
Tính tổng điện trở nhiệt cho phép, trừ phần Rjc do nhà sản xuất chip công bố, còn lại chia cho Rcs, Rsa.
Chọn heatsink, luồng khí (tự nhiên hoặc quạt) đáp ứng Rsa.
Đo khe hở thật giữa linh kiện với heatsink, chọn TIM theo khe hở, độ phẳng, áp lực kẹp, yêu cầu cách điện, số chu kỳ nhiệt.
Lắp thử, đo nhiệt độ ở điều kiện công suất thật, so với tính toán.
Kiểm tra lại sau một số chu kỳ nóng lạnh, nhất là khi dùng thermal grease, để phát hiện pump-out.
Đo thử linh kiện SiC, GaN trực tiếp tại Tektronix Semiconductor Seminar 2026
Hội thảo do EMIN phối hợp Tektronix tổ chức, có phần Live Demo để tự tay thao tác trên Oscilloscope MSO Series, Keithley SMU và thiết bị thử nghiệm nguồn AI thế hệ mới, ngay bên cạnh chuyên gia Tektronix. Số chỗ có hạn, nên đăng ký sớm để EMIN xác nhận vị trí.
- Thứ Tư, 11/11/2026
- 9 giờ đến 14 giờ
- Tầng 6 tòa nhà NIC Hà Nội
- Có tea break, bữa trưa thân mật
