导热与散热知识.pdf

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导热系数(W/mK)热传导系敎的定义为:每单位长度、每K,每小时可以传送条少W的能重,单位为H7mKo其
中5T指热功建单位,“m”代表长度单位米,阳WKW为绝对温度单位。该敎值越大说明导热性能越奸。
二、常见材料的导热系数
材质退度,t导热系教X,W/m・K
300230
铜100377
熟铁1861
金100317
银100412
钢(1%C)1845
青铜189
不锈银2016
帖石02300
AL2O335
石墨0151



-
-


FR-4(111
ABS・・
酒情(二辱)80%


绿油(阻焊剂)1-



导热系教是通过实验测试出来的,导热系敎与材料的组成、结构、密度、含水率、退度等国素有关。非晶体结
杯密度校低的材料,导热系教校小。材料的含水率低、温度较低时,导热系敎较小。通常金属材料要大于非金
属材料,导体大干绝缘体,源干导热是依秦电于的运功,M固体的热导率比液体的大,血液体的又要比气依的
大,这种羞异很大程度上是由干这関种状态分于间距不同所导致的。钻石是个很特殊的例外,由于结构特殊性
以及其纯度相当的高,其导热系数远远高于常见的金属。
通常把导热系散较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定,凡平均退度不斋于35O°C时导热系数不大于
(m・K)的材料称为保退材料),/()以下的材料称为肓效保退材料。从上表可
以看出,毘奸的导热金属材料是银,其次是铜、铝,由于价格的原因,采用铜/铝的散热片比较条。TO空气是
非常好的保温材料,因此家内装修如吳是取层玻璃会比较保退;墙内夹层也会采用石棉或者PP作为保溫材料,
与其导热系敎很低不无关系。
三、如何散热
首先介绍若词一热阻。
热阻,导热阻抗,面枳/(长度"导热系数),单位・K・m7w,与长度成正比,与导热系教和面积成反比。热阻越
大,热传导能力就越盖,相反,热阻越小,热重就越容易传导。导热系教是比例参敎,即热阻是实际的散热效
杲。因此导热系教越高则热传导能力越奸,但是如杲散热路径变长,则热阻增加,反丽会降低散热效果,所以
散热,应该综合考虑导热系教和热阻。
如何散热,说起来大家可能部会讲出来很务手段,但是细究起来,可能很条概念是错误的,或者不禿善的,壬至
有可能会带人误区。
比如以下几个说法:
1、导热硅脂导热奸
2、导热硅胶越条越好
3、硅胶垫片比导热硅脂好
4、空气会影响散热
5、金雇散热片散热好
6、散热片发黑比原色散热奸
7、铜箔钻孔可以增加散热
8、羯箔去绿油可以塔加散热
那么这些说法对么?
首先简介一下常用的电于材料前导热系数?
若称导热系教儿W/m・K

百台花导热硅胶>0・8
-
绝缘塑(硅胶垫片)-

髙导热环氧胶1
绝缘塑(硅胶垫片)-
~0・8
-4
那么我们细细说一下上面这些说法到底对不对还是有条件的正确。
1、导热硅脂(胶)/硅胶片
虽然若宇叫做导热硅脂,实际上从其导热系教上可以看出,导热能力很差很克,那么为什么叫做导热硅脂?
为什么会有“导热”的若头?
导热硅脂就是在硅脂的基础上添加了金,属氧化物增强导热能力,,为了
增强导热能力丽添加以下几种粉耒:氧化怡粉耒、煤化硅粉耒、氧化锌粉耒、氮化硼粉耒等;如果对于绝缘
性能要求校低,可以添加石星或者锡锌柔性金雋增加导热能力(Intel原装灰色导热进脂就是添加石聖几但是导
热硅脂其导热系敎还是不高,,那么为什么用导热硅脂不用水泥?
原因就在干,导热硅脂/硅胶导热系数“远”比空气奸,空气是一个很不奸的保温材料,当M()S与散热片之间
接触的时候,由于接触面之闾不聲光滑,存在空气间潦,会导致热重不能尺时传递到散热片間使M()S退度剖
增,最终烧坏。M导热硅脂/硅胶片是柔性的,可以很好的渗入间隙中,将空气挤出,使得热重能酩比较好的
传递。
相同面积,,哪个热阻小?
相同面积,,哪个热阻小?
有人会说这个问題很搞笑,但是我们生产过程中会出现的状况,谨胶片是有厚度的,相同面积,同材质()•
1mm的硅胶片热阻就要远小于1mm的硅胶片,而使用导热硅脂的话,由于散热片和M()S的金属部分会直接接
综,间隙更小,散热也就更好,可是总有人会选择厚的硅胶片,总会有人会堆积导热硅胶。比如LED球灯,
相外売内部窒一个驱功板,然后全部灌封导热硅胶,其实对于呃幼板的散热效果很不理想。
所以,磋脂硅胶硅胶片,均不是用来散热,而只是辅助散热,设计时应该考虑如何让功率器件更奸的接触散
热片。谨脂能让金属部分亘接接触,是首选;其次就是薄的绝缘垫或者溥的导热硅胶;无论使用哪种材质,
组装过程中将、I()S和散热片之间尽可能压接紧密是必须的,时导热硅胶堆积、组装结构松散等会对散热带来
致命的皺陷。当然,很多人是被“导热”的若宇给误导了。
2、空气
空气导热系教很低,但不一定会影响散热。空气的存在假若是在高温器件与散热片之间,那么必然会影响散
热,例如双层玻笊用来保退。但是冬天室外,?为什么冬天穿衣服要
抗风?为什么都说刺骨的北风?
这就是因为空气分为静态和动态,功态时候就是“风”,可以很好的散热。总之,必要要记住的是:所有的
散热系统最终都会散热到空气中!因此,如何在最后与空气接竝时能醉更快的将热埜传违出去是散热系统设
计馆重中之重,丽形成台理的风道是必要的手段。
像品牌电腕都会设计比较台理的风道以达到理想的散热效果,如果不能使空气流幼,往往会风扇空转即温度
散不出去,那么这个系统就是失败的,无法取得很奸的散热效果。这是设计问題,不是空气问题。
如果没有空P对流,全金屣外壳并不比塑料外売散热效杲好很条,例如干机。因为CPU热重发出到机壳上歆
热出去,中间会有一层空气间隙,是热阻的主要来源,相比较闻言机売的材质影响就小很冬。但是,只要加
了一个小小的风扇,温度就可以大幅度下降,只是干机结构限制无法使用。
对于功率部分散热设计台理的系统,那么其余发热校低的地方,例如控制枝心等暴藩在空气中与密封在密封
胶里面,其实热阻羞距并不大,也不过是几倍的关系。因此密封胶的选择应首先电虑使用环埴对于胶的防水.
贋勒等要求,而不是导热系数。
3、散热片
金属导热系数高,但是不代表其散热一定就奸。
就算同样是金厲,同一种金厲,一个做成金属決,一个做成金属栅,相同体积的时候,后者散热效果就好。因
为最终散热媒介就是空气,与空气接触面积越犬就会散热越奸,所以现在的CPU散热片,越是高端的,越是做
的薄,做的栅条。
众所周知,小米2手机中增加了一种导热利器一石罢散热膜,引发了潮流,大家争相仿效。导热系教石羞散热
膜可以做到1500,已经超出金属很务。
但是石墨散热膜又给大家挖了个坑,•■散热膜”并不是起到散热作用,丽是导热,因为其并没有增犬与空气接
竝面积,其其正的作用是将干机内部发热元件的热重进行均衡。大家都知道手机芯片上都会贴上金属屏蔽罩,
同时起散热作用,M有的发热大,有的发热小,如果依靠空气的传导效果很差,就会使一些部位退度急剧上升,
丽石墨散热膜作用就是将退度高的散热片热壁快速传递到退度低閉散热片上,使干持设缶不会出现局部高温。
单纯使用金属条件下,散热最奸的应该是热管+散热片。热管的产生实际上是热对流理论成熟的表现,热管中
的冷凝气在发热端和冷凝端来回循环,依靠气液相之间的变化快速循环,使热重快速传导散发出去,其导热
效率远远高于昔通的金属。当然成本也增加不少。这在高端的LED产曲中可以专虑。
如果散热片没有加风扇就是被功散热,依靠温差产生的热对流将热重歆发到空气中,丽加上风扇能够实现校
奸的风道,是主功散热,效杲会明显优于被勒散热。还有一种特殊的设计,就是射流器(Synjet),其方法就是
将空气压缩后高速喷出,直接将芯片的热星带走,这必然是LED夺散热以后的发展趙舞。
4、发黑的散热片
常见发黑只有铁和紐因为铁发黒(正确叫法:发苗)生成四氧化三铁,馄阳杭氧化后是三氧化二恰(刚玉,苗
宝石主要成分),染色后得到发黑效果(阳机氧化电紐着色)。共同的特点就是:致密、耐薯、抗庸蚀。而铜
氧化后的氧化铜,疏松,机易吸收水分闻迅速腐蚀,所以铜散热片发熙反血会是不良。
实际物体在单位时间内发出的辐射热流重可以采用Sicfaii-Bol^mn(史蒂芬•玻耳兹曼定律)定律计算,如果大家
有兴趣,可以搜索一卞,有工程帅做过测试,发黑石其发射率可以墳加3~5倍,具体教据因为未经允许所以不
能引用。
可以见得,氧化后的氧化物可以一定程度上加大其热辐射效果,也就是说散热片发黒可以一定程度上降低散热
片温度。与此同时,发黒层厚度一般小于15um,热阻非常小,对于散热影响并不大。
但是,基本上少见CPU的散热片是发黑的,为什么?因为退度!在100度以下的时候,热辐射的重很小,又处
干一个封闭环境,热辐肘实嘛上是没有效杲的。血风路设计台理的时候,热对流和热传导其降低退置的效率
远远高出热辐射的效率,因此,如果必须使用发黒处理来降低退,矍,一定程度上说明散热系统冗余不足0
5、铜箔钻孔/铜箔去绿油
其实前面说了很条,这个问题如果大家仔细阅渎前面的内容时侯就应该有了咨案C
有人认为去除绿抽,可以使铜箔与空气宜接接竝,散热会奸一些。但是实际上并不是如此。绿抽,是阻焊层
的俗称,通常为10um,热阻非常小,并不影响条少散热,存不存在效吳差不轨去除绿泊更务的应该是通过增加
焊暢丽埴加过电流能力。
帖孔同样不能增加与空气接竝的面积,但是钻孔会使上下两层铜箔之间的热重传递更快,因为PCB中间的材
质FR-4导热效果并不奸,0」左右,任何一种金属的效果都要超出其导热效果,因此帖孔可以有效的使背面铜
箔能够快速升温,也间接的改善了散热效杲。但是最终效果取决于两面用于散热铜箔的总面积,时不是帖了
。