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2021-03-01 23:55 来源:大公网

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行业动态

关于几种导热散热材料的应用

来源:http://www-ltdcl-com.ynmskj.com点击3426作者:联腾达 发布:2021-03-01打印文本

简单的介绍几种导热材料
说到散热系统,很多人想到的是风扇和散热片。其实,他们忽视了一个并不起眼、但却发挥着重要作用的媒介物--导热介质。电脑CPU是典型的需要良好散热的功率器件,就此我们来说说导热材料.希望大家讨论一下,发表自己对各类功率器件散热的心得和看法.
  
  为何需要导热介质?
  可能有人会认为,CPU表面或散热片底部都非常光滑,它们之间不需要导热介质。这种观点是错误的!由于机械加工不可能做出理想化的平整面,因此在CPU与散热器之间存在很多沟壑或空隙,其中都是空气。我们知道,空气的热阻值很高,因此必须用其他物质来降低热阻,否则散热器的性能会大打折扣,甚至无法发挥作用。于是导热介质就应运而生了,它的作用就是填充处理器与散热器之间大大小小的空隙,增大发热源与散热片的接触面积。因此,热传导只是导热介质的一个作用,增加CPU和散热器的有效接触面积才是它最重要的作用。
  导热介质有哪些?
  1、导热硅脂
  导热硅脂是目前应用最广泛的一种导热介质,它是以硅油为原料,并添加增稠剂等填充剂,在经过加热减压、研磨等工艺之后形成的一种酯状物,该物质有一定的黏稠度,没有明显的颗粒感。导热硅脂的工作温度一般在-50℃~180℃,它具有不错的导热性、耐高温、耐老化和防水特性。


  在器件散热过程中,经过加热达到一定状态之后,导热硅脂便呈现出半流质状态,充分填充CPU 和散热片之间的空隙,使得两者之间接合得更为紧密,进而加强热量传导。通常情况下,导热硅脂不溶于水,不易被氧化,还具备一定的润滑性和电绝缘性。


  2、导热硅胶
  和导热硅脂一样,导热硅胶也是由硅油添加一定的化学原料,并经过化学加工而成。但和导热硅脂不同的是,在它所添加的化学原料里有某种黏性物质,因此成品的导热硅胶具有一定的黏合力。
  导热硅胶最大的特点是凝固后质地坚硬,其导热性能略低于导热硅脂。目前,市面上有两种导热硅胶:一种在凝固后为白色固体,另一种在凝固后为黑色带有光泽的固体。一般厂商都习惯用第一种硅胶作为散热片和发热物体之间的黏合剂,它的优点是黏性非常强,可这又恰恰成了它的缺点。我们需要维修时,往往在费尽九牛二虎之力将黏合的器件和散热器分离后,会发现两者的接触面上残留大量的固体白色硅胶,这些硅胶相当难以清除干净。
  相比之下,第二种硅胶优势就比较明显:一来它的散热效率要高于第一种,二来它凝固后生成的黑色固体较脆,残留物很容易清除。不管怎样,导热硅胶的导热效能不强,而且容易把器件和散热器“黏死”,因此除非特殊情况才推荐用户采用。
  3、软性硅胶导热垫
  软性硅胶导热绝缘垫具有良好的导热能力和高等级的耐压绝缘,导热系数1.75W/mK,抗电压击穿值4000伏以上,是是取代导热硅脂的替代产品,其材料本身具有一定的柔韧性,很好的贴合功率器件与散热铝片或机器外壳间的,从而达到最好的导热及散热目的,符合目前电子行业对导热材料的要求,是替代导热硅脂导热膏加云母片的二元散热系统的最佳产品。该类产品可任意裁切,利于满足自动化生产和产品维护。                          
  硅胶导热绝缘垫的工艺厚度从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,专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产,能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位的热传递,同时还起到减震 绝缘 密封等作用,能够满足社设备小型化 超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性的新材料.
  阻燃防火性能符合U.L 94V-0 要求,并符合欧盟SGS环保认证
  4、石墨垫片
  这种导热介质较为少见,一般应用于一些发热量较小的物体之上。它采用石墨复合材料,经过一定的化学处理,导热效果极佳,适用于电子芯片、CPU等产品的散热系统。在早期的Intel盒装P4处理器中,附着在散热器底部上的物质就是一种名为M751的石墨导热垫片,这种导热介质的优点是没有黏性,不会在拆卸散热器的时候将CPU从底座上“连根拔起”。
上述几种常见的导热介质外,铝箔导热垫片、相变导热垫片(外加保护膜)等也属于导热介质,但是这些产品在市面上很少见。
      
  5、相变导热材料
  相变材料主要用于要求热阻小,热传导效率高的高性能器件,主要用于微处理器和要求热阻低的功率器件,以确保良好散热.相变导热材料在45℃-58℃时发生相变并在压力作用下流进并填充发热体和散热器之间的不规则间隙,挤走空气,以形成良好导热介面.


  导热材料也有性能参数
  由于导热硅脂属于一种化学物质,因此它也有反映自身工作特性的相关性能参数。我们只要了解这些参数的含义,就可以判断一款导热材料的性能高低。
  1、热传导系数
  导热硅脂的热传导系数与散热器的基本一致,它的单位为W/mK,即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K=1℃)时的热传导功率。数值越大,表明该材料的热传递速度越快,导热性能越好。目前主流导热硅脂的热传导系数均大于1.134W/mK。
  2、工作温度
  工作温度是确保导热材料处于固态或液态的一个重要参数,温度过高,导热材料会因转化为液体;温度过低,它又会因黏稠度增加变成固态,这两种情况都不利于散热。导热硅脂的工作温度一般在-50℃~180℃。对于导热硅脂的工作温度,我们不用担心,毕竟通过常规手段很难将CPU的温度超出这个范围。
  3、热阻系数
  热阻系数表示物体对热量传导的阻碍效果。热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿(℃/W),即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差。热阻显然是越低越好,因为相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低。热阻的大小与导热硅脂所采用的材料有很大的关系。
  4、介电常数
  对于部分没有金属顶盖保护的CPU而言,介电常数是个非常重要的参数,这关系到计算机内部是否存在短路的问题。普通导热硅脂所采用的都是绝缘性较好的材料,但是部分特殊硅脂(如含银硅脂等)则可能有一定的导电性。现在许多CPU都加装了用于导热和保护核心的金属顶盖,因此不必担心导热硅脂溢出而带来的短路问题。目前主流散热器所用导热硅脂的介电常数都大于5.1。
  5、黏度
  黏度即指导热硅脂的黏稠度。一般来说,导热硅脂的黏度在68左右。


  6、绝缘
导热硅胶片与导热硅脂和导热双面胶的优缺点对比
导热硅胶片相对于导热硅脂和导热双面胶有以下优势:


    *导热系数的范围以及稳定度
    *结构上工艺工差的弥合,降低散热器和散热结构件的工艺工差要求
    *EMC,绝缘的性能
    *减震吸音的效果
    *安装,测试,可重复使用的便捷性
    **导热系数的范围以及稳定度
    导热硅胶片在导热系数方面可选择性较大,可以从0.8w/k.m ----3.0w/k.m以上,且性能稳定,长期使用可靠.
    导热双面胶目前最高导热系数不超过1.0w/k-m的,导热效果不理想;
    导热硅脂属常温固化工艺,在高温状态下易产生表面干裂,性能不稳定,容易挥发以及流动,导热能力会逐步下降,不利于长期的可靠系统运作. 
    **弥合结构工艺工差,降低散热器以及散热结构件的工艺工差要求
    导热硅胶片厚度,软硬度可根据设计的不同进行调节,因此在导热通道中可以弥合散热结构,芯片等尺寸工差,降低对结构设计中对散热器件接触面的工差要求,特别是对平面度,粗糙度的工差,如果提高加工精度则会在很大程度上提高产品成本,因此导热硅胶片可以充分增大发热体与散热器件的接触面积,降低了散热器的生产成本。
    除了传统的PC行业,现在新的散热方案就是去掉传统的散热器,将结构件和散热器统一成散热结构件。在PCB布局中将散热芯片布局在背面,或在正面布局时,在需要散热的芯片周围开散热孔,将热量通过铜箔等导到PCB背面,然后通过导热硅胶片填充建立导热通道导到PCB下方或侧面的散热结构件(金属支架,金属外壳),对整体散热结构进行优化,同时也降低整个散热方案的成本。
    **EMC,绝缘的性能
    导热硅胶片因本身材料特性具有绝缘导热特性,对EMC具有很好的防护,由硅胶材质的原因不容易被刺穿和在受压状态下撕裂或破损,EMC可靠性就比较好。
    导热双面胶因其材料本身特性的限制,它对EMC防护性能比较低,很多时候达不到客户需求,在使用时比较局限,一般只有在芯片本身做了绝缘处理或芯片表面做了EMC防护时才可以使用。
    导热硅脂因材料特性本身的EMC防护性能也比较低,很多时候达不到客户需求,在使用时比较局限,一般只有芯片本身做了绝缘处理或芯片表面做了EMC防护才可以使用。
    **减震吸音的效果
    导热硅胶片的硅胶载体决定了会有很好弹性和压缩比,从而有很好减震效果,再调整密度和软硬度可以产生对低频电磁噪声起到很好的吸收作用。
    导热双面胶的粘接使用方式决定了它不具有减震吸音效果。
    导热硅脂硬接触使用方式决定了它不具有减震吸音效果。
    **安装,测试,可重复使用的便捷性 
    导热硅胶片为稳定固态,被胶强度可选,拆卸方便;有弹性回复,可重复使用。
    导热双面胶一旦使用,不易拆卸,存在损坏芯片和周围器件的风险,不易拆卸彻底。在刮彻底时,会刮伤芯片表面以及搽拭时带上粉尘,油污等干扰因素,不利于导热和可靠防护。
    导热硅脂不能拆卸,必须小心翼翼的搽拭,也不易搽拭彻底,特别在更换导热介质测试中,会对测试数据的可靠性产生影响,从而影响工程师的判断。
给导热硅胶片背胶的利与弊
给导热硅胶片背胶一般有二种形式,双面背胶和单面背胶,下面AOK小编为您介绍给导热硅胶片背胶的利与弊:
一、给导热硅胶片双面背胶:
    双面背胶主要是因为产品无固定装置或不方便固定,双面背胶可以用来固定散热器,将IC与散热片贴住,不需要另外设计固定结构。
    益处:可以用来固定散热器,不需要另外设计固定结构。
    影响:导热效果会变差,导数系数会低很多。
二、给导热硅胶片单面背胶:
    单面背胶主要是便于导热硅胶的安装贴合,如某背光源使用导热硅胶尺寸为452*5.5这样长的尺寸,不便于安装,因此使用单面背胶,将导热硅胶有胶的一面贴在PCB板上,另一面贴在外壳上。
    益处:可以一面粘住发热器表面,当组装过程中散热器或者壳体有相对滑动的时候,导热硅胶片不会产生位置偏移。
    影响:导热系数会变低,但是比双面背效的效果要好些。
    以上得知,给导热硅胶片不管是单面背胶还是双面背胶都会导致导热系数变低
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