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導熱材料的選擇
- 2019-06-20 -

       說到散熱系統,很多人想到的是風扇和散熱片。其實,他們忽視了一個并不起眼、但卻發揮著重要作用的媒介物--導熱介質。電腦CPU是典型的需要良好散熱的功率器件,就此我們來說說導熱材料.希望大家討論一下,發表自己對各類功率器件散熱的心得和看法.      為何需要導熱介質        可能有人會認為,CPU表面或散熱片底部都非常光滑,它們之間不需要導熱介質。這種觀點是錯誤的!由于機械加工不可能做出理想化的平整面,因此在CPU與散熱器之間存在很多溝壑或空隙,其中都是空氣。我們知道,空氣的熱阻值很高,因此必須用其他物質來降低熱阻,否則散熱器的性能會大打折扣,甚至無法發揮作用。于是導熱介質就應運而生了,它的作用就是填充處理器與散熱器之間大大小小的空隙,增大發熱源與散熱片的接觸面積。因此,熱傳導只是導熱介質的一個作用,增加CPU和散熱器的有效接觸面積才是它最重要的作用。        導熱介質有哪些        1.導熱硅脂        導熱硅脂是目前應用最廣泛的一種導熱介質,它是以硅油為原料,并添加增稠劑等填充劑,在經過加熱減壓、研磨等工藝之后形成的一種酯狀物,該物質有一定的黏稠度,沒有明顯的顆粒感。導熱硅脂的工作溫度一般在-50℃~180℃,它具有不錯的導熱性、耐高溫、耐老化和防水特性。        在器件散熱過程中,經過加熱達到一定狀態之后,導熱硅脂便呈現出半流質狀態,充分填充CPU 和散熱片之間的空隙,使得兩者之間接合得更為緊密,進而加強熱量傳導。通常情況下,導熱硅脂不溶于水,不易被氧化,還具備一定的潤滑性和電絕緣性。(目前市場比較好的品牌有:道康寧,信越,國產的比較好的導熱硅脂有天中山(據說是香港的一個品牌),立豐電子,華能智研,國產品牌中,我試過天中山940和酷能至尊的一個號稱7.0導熱系數的,效果來講前期酷能至尊溫度效果會稍微比940好個0.5℃,但2天候后天中山的比酷能至尊的降低了1℃不知道是不是我方法的問題。分別試問該行業的廠家同行過后得出的結論是酷能至尊以散熱器為住,導熱硅脂采用的是道康寧5126以及信越的7762分裝而成,另外一部分選用的是天中山以及華能智研的產品做為原料分裝,故未把他放入國產品牌中。)        2.導熱硅膠(導熱粘接膠)        導熱硅膠采用的是一種含有C-Si結果的分子鏈基膠(107膠)在基膠中添加導熱粉體。再通過交聯劑把分子鏈交聯起來,最后形成一張能粘接材質又能導熱的導熱粘接膠。其導熱性能略低于導熱硅脂,但比導熱多了一個粘接的功能。可以廣泛的應用在一些需要粘接的電子熱元件。但是由于其導熱系數無法達到導熱硅脂那么高,熱阻也較硅脂偏高故其無法應用與導熱要求比較高的領域。

 

    (目前市場上導熱硅膠的品牌和硅脂一樣很多也很雜,但我要說的是。導熱硅膠由于他的特殊性能以及包裝要求,使得他的導熱系數無法做高,國內水平一般導熱系數是在0.8-1.5之間,高于此導熱系數的不是沒有,但是往往是犧牲他的其他一些性能來達到,例如,粘接力,剪切強度。更關鍵的是其表面潤濕性(至于表面潤濕性的重要性不懂的可以百度一下,或者見我的下期文章報高。)。目前這塊的幾個品牌中,由于應用不是很多。推薦的牌子有:道康寧,信越,TENSAN,和sisun)        3.石墨墊片        這種導熱介質較為少見,一般應用于一些發熱量較小的物體之上。它采用石墨復合材料,經過一定的化學處理,導熱效果極佳,適用于電子芯片、CPU等產品的散熱系統。在早期的Intel盒裝P4處理器中,附著在散熱器底部上的物質就是一種名為M751的石墨導熱墊片(圖2),這種導熱介質的優點是沒有黏性,不會在拆卸散熱器的時候將CPU從底座上“連根拔起”。上述幾種常見的導熱介質外,鋁箔導熱墊片、相變導熱墊片(外加保護膜)等也屬于導熱介質,但是這些產品在市面上很少見。

  推薦的品牌有—美國eGRAF 日本松下

      4  軟性硅膠導熱墊    軟性硅膠導熱絕緣墊具有良好的導熱能力和高等級的耐壓絕緣,導熱系數1.75W/mK,抗電壓擊穿值4000伏以上,是是取代導熱硅脂的替代產品,其材料本身具有一定的柔韌性,很好的貼合功率器件與散熱鋁片或機器外殼間的,從而達到最好的導熱及散熱目的,符合目前電子行業對導熱材料的要求,是替代導熱硅脂導熱膏加云母片的二元散熱系統的最佳產品。該類產品可任意裁切,利于滿足自動化生產和產品維護。                                硅膠導熱絕緣墊的工藝厚度從0.5mm~5mm不等,每0.5mm一加,即0.5mm  1mm  1.5mm  2mm~5mm,特殊要求可增至15mm,專門為利用縫隙傳遞熱量的設計方案生產,能夠填充縫隙,完成發熱部位與散熱部位的熱傳遞,同時還起到減震 絕緣 密封等作用,能夠滿足社設備小型化 超薄化的設計要求,是極具工藝性和使用性的新材料.     阻燃防火性能符合U.L 94V-0 要求,并符合歐盟SGS環保認證

  推薦的品牌有:貝格斯,萊爾德,富士玻璃,TENSAN ,以及傲川,博恩    5  相變導熱材料  相變材料主要用于要求熱阻小,熱傳導效率高的高性能器件,主要用于微處理器和要求熱阻低的功率器件,以確保良好散熱.相變導熱材料在45℃-58℃時發生相變并在壓力作用下流進并填充發熱體和散熱器之間的不規則間隙,擠走空氣,以形成良好導熱介面.        導熱材料也有性能參數        由于導熱硅脂屬于一種化學物質,因此它也有反映自身工作特性的相關性能參數。我們只要了解這些參數的含義,就可以判斷一款導熱材料的性能高低

    推薦品牌:貝爾斯,萊爾德        1.工作溫度        工作溫度是確保導熱材料處于固態或液態的一個重要參數,溫度過高,導熱材料會因轉化為液體;溫度過低,它又會因黏稠度增加變成固態,這兩種情況都不利于散熱。導熱硅脂的工作溫度一般在-50℃~180℃。對于導熱硅脂的工作溫度,我們不用擔心,畢竟通過常規手段很難將CPU的溫度超出這個范圍。        2.熱傳導系數        導熱硅脂的熱傳導系數與散熱器的基本一致,它的單位為W/mK,即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文(1K=1℃)時的熱傳導功率。數值越大,表明該材料的熱傳遞速度越快,導熱性能越好。目前主流導熱硅脂的熱傳導系數均大于1.134W/mK。        3.熱阻系數        熱阻系數表示物體對熱量傳導的阻礙效果。熱阻的概念與電阻非常類似,單位也與之相仿(℃/W),即物體持續傳熱功率為1W時,導熱路徑兩端的溫差。熱阻顯然是越低越好,因為相同的環境溫度與導熱功率下,熱阻越低,發熱物體的溫度就越低。熱阻的大小與導熱硅脂所采用的材料有很大的關系。        4.介電常數        對于部分沒有金屬頂蓋保護的CPU而言,介電常數是個非常重要的參數,這關系到計算機內部是否存在短路的問題。普通導熱硅脂所采用的都是絕緣性較好的材料,但是部分特殊硅脂(如含銀硅脂等)則可能有一定的導電性。現在許多CPU都加裝了用于導熱和保護核心的金屬頂蓋,因此不必擔心導熱硅脂溢出而帶來的短路問題。目前主流散熱器所用導熱硅脂的介電常數都大于5.1。        5.黏度        黏度即指導熱硅脂的黏稠度。一般來說,導熱硅脂的黏度在68左右。         6.絕緣導熱石墨片 石墨散熱片,是一種全新的導熱散熱材料,具有獨特的晶粒取向,沿兩個方向均勻導熱,片層狀結構可很好地適應任何表面,屏蔽熱源與組件的同時改進消費類電子產品的性能。產品均勻散熱的同時也在厚度方面提供熱隔離。 導熱石墨片其分子結構示意圖如下: 導熱石墨片分子結構圖石墨導熱片(GTS)解決方案獨特的散熱和隔熱性能組合讓(GTS)導熱石墨成為熱量管理解決方案的杰出材料選擇。(GTS)導熱石墨片平面內具有150-1500 W/m-K范圍內的超高導熱性能。 (GTS)導熱石墨材料(Thermal Flexible Graphite sheet)的化學成分主要是單一的碳(C)元素,是一種自然元素礦物.薄膜高分子化合物可以通過化學方法高溫高壓下得到(GTS)石墨化薄膜,因為碳元素是非金屬元素,但是卻有金屬材料的導電,導熱性能,還具有象有機塑料一樣的可塑性,并且還有特殊的熱性能,化學穩定性,潤滑和能涂敷在固體表面的等等一些良好的工藝性能,因此,導熱石墨GTS)在電子,通信,照明,航空及國防軍工等許多領域都得到了廣泛的應用. (GTS)石墨導熱材料給熱量管理工業提供了一個綜合高性能的獨特解決方案。(GTSS)導熱石墨材料通過一系列不同的熱量管理解決應用給需求日益廣泛的工業散熱領域帶來新的技術方案,(GTS)導熱石墨材料產品提供了電子工業熱量管理的創新新技術。(GTS)導熱石墨通過在減輕器件重量的情況下提供更優異的導熱性能,(GTS)導熱石墨散熱解決方案是熱設計的嶄新應用方案。(GTS)導熱石墨有效的解決電子設備的熱設計難題,廣泛的應用于PDP、LCD TV 、Notebook PC、UMPC、Flat Panel Display 、MPU 、Projector 、Power Supply、LED等電子產品 石墨散熱材料。石墨散熱材料已大量應用於通訊工業、醫療設備,SONY/DELL/Samsung筆記本,中興手機,Samsung PDP, PC 之內存條,LED基板等散熱。 GTS導熱石墨與常見金屬材料導熱性能對比: GTS導熱石墨與常見金屬材料導熱性能對比GTS導熱石墨片熱擴散示意圖: GTS導熱石墨片熱擴散示意圖導熱石墨片特性: 品特性:表面可以與金屬、塑膠、不干膠等其它材料組合以滿足更多的設計功能和需要。 低熱阻:熱阻比鋁低40%,比銅低20% 重量輕:重量比鋁輕25%,比銅輕75% 高導熱系數:石墨散熱片能平滑貼附在任何平面和彎曲的表面,并能依客戶的需求作任何形式的切割。 導熱石墨片的應用 廣泛的應用于PDP、LCD TV 、Notebook PC、UMPC、Flat Panel Display 、MPU 、Projector 、Power Supply、LED等電子產品 石墨散熱材料。石墨散熱材料已大量應用於通訊工業、醫療設備,SONY/DELL/Samsung筆記本,中興手機,Samsung PDP, PC 之內存條,LED基板等散熱。


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