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电子产品导热与散热的相关知识

新闻来源: 发布日期:2016-02-25 10:00:52发布人:AG游戏小张

  电子产品导热与散热的相关知识

  导热系数简介

  导热系数(W/mK)热传导系数的定义为:每单位长度、每K,每小时可以传送多少W的能量,单位为W/mK。其中“W”指热功率单位,“m”代表长度单位米,而“K”为绝对温度单位。该数值越大说明导热性能越好。

  导热系数是通过实验测试出来的,导热系数与材料的组成、结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料,导热系数较小。材料的含水率低、温度较低时,导热系数较小。通常金属材料要大于非金属材料,导体大于绝缘体,源于导热是依靠电子的运动,而固体的热导率比液体的大,而液体的又要比气体的大,这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致的。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。

  通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定,凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料),而把导热系数在0.05 W/(m.K)以下的材料称为高效保温材料。从上表可以看出,最好的导热金属材料是银,其次是铜、铝,由于价格的原因,采用铜/铝的散热片比较多。而空气是非常好的保温材料,因此家内装修如果是双层玻璃会比较保温;墙内夹层也会采用石棉或者PP作为保温材料,与其导热系数很低不无关系。

  如何散热

  首先介绍名词——热阻。

  热阻,导热阻抗,面积/(长度*导热系数),单位-K.㎡/w,与长度成正比,与导热系数和面积成反比。热阻越大,热传导能力就越差,相反,热阻越小,热量就越容易传导。导热系数是比例参数,而热阻是实际的散热效果。因此导热系数越高则热传导能力越好,但是如果散热路径变长,则热阻增加,反而会降低散热效果,所以散热,应该综合考虑导热系数和热阻。

  如何散热,说起来大家可能都会讲出来很多手段,但是细究起来,可能很多概念是错误的,或者不完善的,甚至有可能会带入误区。

  比如以下几个说法:

  1、导热硅脂导热好

  2、导热硅胶越多越好

  3、硅胶垫片比导热硅脂好

  4、空气会影响散热

  5、金属散热片散热好

  6、散热片发黑比原色散热好

  7、铜箔钻孔可以增加散热

  8、铜箔去绿油可以增加散热

  那么这些说法对么?

  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

  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,纯正的硅胶大约0.3左右的导热系数,为了增强导热能力而添加以下几种粉末:氧化铝粉末、炭化硅粉末、氧化锌粉末、氮化硼粉末等;如果对于绝缘性能要求较低,可以添加石墨或者锡等柔性金属增加导热能力(Intel原装灰色导热硅脂就是添加石墨)。

  但是导热硅脂其导热系数还是不高,普通导热硅脂比不上水泥的导热系数1.5,那么为什么用导热硅脂不用水泥?

  原因就在于,导热硅脂/硅胶导热系数“远”比空气好,空气是一个很不好的保温材料,当MOS与散热片之间接触的时候,由于接触面之间不够光滑,存在空气间隙,会导致热量不能及时传递到散热片而使MOS温度剧增,最终烧坏。而导热硅脂/硅胶片是柔性的,可以很好的渗入间隙中,将空气挤出,使得热量能够比较好的传递。

  相同面积,0.1mm厚的空气与1mm厚的导热硅脂,哪个热阻小?

  相同面积,0.1mm厚的导热硅脂与1mm厚的导热硅胶,哪个热阻小?

  有人会说这个问题很搞笑,但是我们生产过程中会出现的状况,硅胶片是有厚度的,相同面积,同材质0.1mm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MOS的金属部分会直接接触,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,铝外壳内部塞一个驱动板,然后全部灌封导热硅胶,其实对于驱动板的散热效果很不理想。

  所以,硅脂硅胶硅胶片,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好的接触散热片。硅脂能让金属部分直接接触,是首选;其次就是薄的绝缘垫或者薄的导热硅胶;无论使用哪种材质,组装过程中将MOS和散热片之间尽可能压接紧密是必须的,而导热硅胶堆积、组装结构松散等会对散热带来致命的缺陷。当然,很多人是被“导热”的名字给误导了。

  2、空气

  空气导热系数很低,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,例如双层玻璃用来保温。但是冬天室外,可以说空气厚度无限厚,为什么会觉得冷?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,动态时候就是“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触时能够更快的将热量传递出去是散热系统设计的重中之重,而形成合理的风道是必要的手段。

  像品牌电脑都会设计比较合理的风道以达到理想的散热效果,如果不能使空气流动,往往会风扇空转而温度散不出去,那么这个系统就是失败的,无法取得很好的散热效果。这是设计问题,不是空气问题。

  如果没有空气对流,全金属外壳并不比塑料外壳散热效果好很多,例如手机。因为CPU热量发出到机壳上散热出去,中间会有一层空气间隙,是热阻的主要来源,相比较而言机壳的材质影响就小很多。但是,只要加了一个小小的风扇,温度就可以大幅度下降,只是手机结构限制无法使用。

  对于功率部分散热设计合理的系统,那么其余发热较低的地方,例如控制核心等暴露在空气中与密封在密封胶里面,其实热阻差距并不大,也不过是几倍的关系。因此密封胶的选择应首先考虑使用环境对于胶的防水、震动等要求,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好。

  就算同样是金属,同一种金属,一个做成金属块,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,与空气接触面积越大就会散热越好,所以现在的CPU散热片,越是高端的,越是做的薄,做的栅多。

  众所周知,小米2手机中增加了一种导热利器——石墨散热膜,引发了潮流,大家争相仿效。导热系数石墨散热膜可以做到1500,已经超出金属很多。

  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,而是导热,因为其并没有增大与空气接触面积,其真正的作用是将手机内部发热元件的热量进行均衡。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,而有的发热大,有的发热小,如果依靠空气的传导效果很差,就会使一些部位温度急剧上升,而石墨散热膜作用就是将温度高的散热片热量快速传递到温度低的散热片上,使手持设备不会出现局部高温。

  单纯使用金属条件下,散热最好的应该是热管+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,使热量快速传导散发出去,其导热效率远远高于普通的金属。当然成本也增加不少。这在高端的LED产品中可以考虑。

  如果散热片没有加风扇就是被动散热,依靠温差产生的热对流将热量散发到空气中,而加上风扇能够实现较好的风道,是主动散热,效果会明显优于被动散热。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,直接将芯片的热量带走,这必然是LED等散热以后的发展趋势。

  4、发黑的散热片

  常见发黑只有铁和铝,因为铁发黑(正确叫法:发蓝)生成四氧化三铁,铝阳极氧化后是三氧化二铝(刚玉,蓝宝石主要成分),染色后得到发黑效果(阳极氧化电解着色)。共同的特点就是:致密、耐磨、抗腐蚀。而铜氧化后的氧化铜,疏松,极易吸收水分而迅速腐蚀,所以铜散热片发黑反而会是不良。

  实际物体在单位时间内发出的辐射热流量可以采用Stefan - Boltzmann(史蒂芬-玻耳兹曼定律)定律计算,如果大家有兴趣,可以搜索一下,有工程师做过测试,发黑后其发射率可以增加3~5倍,具体数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,也就是说散热片发黑可以一定程度上降低散热片温度。与此同时,发黑层厚度一般小于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?因为温度!在100度以下的时候,热辐射的量很小,又处于一个封闭环境,热辐射实际上是没有效果的。而风路设计合理的时候,热对流和热传导其降低温度的效率远远高出热辐射的效率,因此,如果必须使用发黑处理来降低温度,一定程度上说明散热系统冗余不足。

  5、铜箔钻孔/铜箔去绿油

  其实前面说了很多,这个问题如果大家仔细阅读前面的内容时候就应该有了答案。

  有人认为去除绿油,可以使铜箔与空气直接接触,散热会好一些。但是实际上并不是如此。绿油,是阻焊层的俗称,通常为10um,热阻非常小,并不影响多少散热,存不存在效果差不多。去除绿油更多的应该是通过增加焊锡而增加过电流能力。

  钻孔同样不能增加与空气接触的面积,但是钻孔会使上下两层铜箔之间的热量传递更快,因为PCB中间的材质FR-4导热效果并不好,0.1左右,任何一种金属的效果都要超出其导热效果,因此钻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果。但是最终效果取决于两面用于散热铜箔的总面积,而不是钻了多少孔、多大的孔。

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