什麼材料導熱最快?一文講清楚這些導熱材料與導熱知識

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什麼材料導熱最快？一文講清楚這些導熱材料與導熱知識

發表於 2018-11-19 09:49:02

說到散熱系統，很多人想到的是風扇和散熱片。其實，他們忽視了一個並不起眼、但卻發揮著重要作用的媒介物導熱介質。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！由於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。於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、導熱矽脂

 導熱矽脂是目前應用最廣泛的一種導熱介質，它是以矽油為原料，並添加增稠劑等填充劑，在經過加熱減壓、研磨等工藝之後形成的一種酯狀物，該物質有一定的黏稠度，沒有明顯的顆粒感。導熱矽脂的工作溫度一般在-50℃～220℃，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後，導熱矽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，導熱矽脂不溶於水，不易被氧化，還具備一定的潤滑性和電絕緣性。

 2、導熱矽膠

 和導熱矽脂一樣，導熱矽膠也是由矽油添加一定的化學原料，並經過化學加工而成。但和導熱矽脂不同的是，在它所添加的化學原料裡有某種黏性物質，因此成品的導熱矽膠具有一定的黏合力。

 導熱矽膠最大的特點是凝固後質地堅硬，其導熱性能略低於導熱矽脂。目前，市面上有兩種導熱矽膠：一種在凝固後為白色固體，另一種在凝固後為黑色帶有光澤的固體。一般廠商都習慣用第一種矽膠作為散熱片和發熱物體之間的黏合劑，它的優點是黏性非常強，可這又恰恰成了它的缺點。我們需要維修時，往往在費盡九牛二虎之力將黏合的器件和散熱器分離後，會發現兩者的接觸面上殘留大量的固體白色矽膠，這些矽膠相當難以清除乾淨。

 相比之下，第二種矽膠優勢就比較明顯：一來它的散熱效率要高於第一種，二來它凝固後生成的黑色固體較脆，殘留物很容易清除。不管怎樣，導熱矽膠的導熱效能不強，而且容易把器件和散熱器「黏死」，因此除非特殊情況才推薦用戶採用。

 3、導熱矽膠片

 軟性矽膠導熱絕緣墊具有良好的導熱能力和高等級的耐壓絕緣，導熱係數2.6W/mK,抗電壓擊穿值4000伏以上,是是取代導熱矽脂的替代產品，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，是替代導熱矽脂導熱膏的二元散熱系統的最佳產品。該類產品可任意裁切，利於滿足自動化生產和產品維護。              
           
 矽膠導熱絕緣墊的工藝厚度從0.5mm~14mm不等,每0.5mm一加,即0.5mm  1mm  1.5mm  2mm~5mm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,並符合歐盟SGS環保認證。

 4、人工合成石墨片

 這種導熱介質較為少見，一般應用於一些發熱量較小的物體之上。它採用石墨複合材料，經過一定的化學處理，導熱效果極佳，適用於電子晶片、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，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）等也屬於導熱介質，但是這些產品在市面上很少見。

 導熱材料也有性能參數

 由於導熱矽脂屬於一種化學物質，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。

 1、熱傳導係數

 導熱矽脂的熱傳導係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。目前主流導熱矽脂的熱傳導係數均大於1.134W/mK。
 2、工作溫度

 工作溫度是確保導熱材料處於固態或液態的一個重要參數，溫度過高，導熱材料會因**為液體；溫度過低，它又會因黏稠度增加變成固態，這兩種情況都不利於散熱。導熱矽脂的工作溫度一般在-50℃～220℃。對於導熱矽脂的工作溫度，我們不用擔心，畢竟通過常規手段很難將CPU的溫度超出這個範圍。

 3、熱阻係數

 熱阻係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。熱阻的大小與導熱矽脂所採用的材料有很大的關係。

 4、介電常數

 對於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，這關係到計算機內部是否存在短路的問題。普通導熱矽脂所採用的都是絕緣性較好的材料，但是部分特殊矽脂（如含銀矽脂等）則可能有一定的導電性。現在許多CPU都加裝了用於導熱和保護核心的金屬頂蓋，因此不必擔心導熱矽脂溢出而帶來的短路問題。目前主流散熱器所用導熱矽脂的介電常數都大於5.1。

 5、黏度

 黏度即指導熱矽脂的黏稠度。一般來說，導熱矽脂的黏度在68左右。

 6、絕緣

導熱矽膠片與導熱矽脂和導熱雙面膠的優缺點對比
導熱矽膠片相對於導熱矽脂和導熱雙面膠有以下優勢：

   *導熱係數的範圍以及穩定度
   *結構上工藝工差的彌合,降低散熱器和散熱結構件的工藝工差要求
   *EMC，絕緣的性能
   *減震吸音的效果
   *安裝，測試，可重複使用的便捷性
   **導熱係數的範圍以及穩定度
   導熱矽膠片在導熱係數方面可選擇性較大,可以從0.8w/k.m 3.0w/k.m以上，且性能穩定,長期使用可靠.
   導熱雙面膠目前最高導熱係數不超過1.0w/k-m的,導熱效果不理想;
   導熱矽脂屬常溫固化工藝，在高溫狀態下易產生表面乾裂，性能不穩定,容易揮發以及流動,導熱能力會逐步下降,不利於長期的可靠系統運作. 
   **彌合結構工藝工差,降低散熱器以及散熱結構件的工藝工差要求
   導熱矽膠片厚度,軟硬度可根據設計的不同進行調節,因此在導熱通道中可以彌合散熱結構，晶片等尺寸工差,降低對結構設計中對散熱器件接觸面的工差要求,特別是對平面度,粗糙度的工差,如果提高加工精度則會在很大程度上提高產品成本，因此導熱矽膠片可以充分增大發熱體與散熱器件的接觸面積，降低了散熱器的生產成本。
   除了傳統的PC行業，現在新的散熱方案就是去掉傳統的散熱器，將結構件和散熱器統一成散熱結構件。在PCB布局中將散熱晶片布局在背面，或在正面布局時，在需要散熱的晶片周圍開散熱孔，將熱量通過銅箔等導到PCB背面，然後通過導熱矽膠片填充建立導熱通道導到PCB下方或側面的散熱結構件（金屬支架，金屬外殼），對整體散熱結構進行優化，同時也降低整個散熱方案的成本。
   **EMC，絕緣的性能
   導熱矽膠片因本身材料特性具有絕緣導熱特性,對EMC具有很好的防護,由矽膠材質的原因不容易被刺穿和在受壓狀態下撕裂或破損,EMC可靠性就比較好。
   導熱雙面膠因其材料本身特性的限制，它對EMC防護性能比較低，很多時候達不到客戶需求，在使用時比較局限，一般只有在晶片本身做了絕緣處理或晶片表面做了EMC防護時才可以使用。
   導熱矽脂因材料特性本身的EMC防護性能也比較低，很多時候達不到客戶需求，在使用時比較局限，一般只有晶片本身做了絕緣處理或晶片表面做了EMC防護才可以使用。
   **減震吸音的效果
   導熱矽膠片的矽膠載體決定了會有很好彈性和壓縮比，從而有很好減震效果，再調整密度和軟硬度可以產生對低頻電磁噪聲起到很好的吸收作用。
   導熱雙面膠的粘接使用方式決定了它不具有減震吸音效果。
   導熱矽脂硬接觸使用方式決定了它不具有減震吸音效果。
   **安裝，測試，可重複使用的便捷性 
   導熱矽膠片為穩定固態，被膠強度可選，拆卸方便；有彈性回復，可重複使用。
   導熱雙面膠一旦使用，不易拆卸，存在損壞晶片和周圍器件的風險，不易拆卸徹底。在刮徹底時，會刮傷晶片表面以及搽拭時帶上粉塵，油汙等幹擾因素，不利於導熱和可靠防護。
   導熱矽脂不能拆卸，必須小心翼翼的搽拭，也不易搽拭徹底，特別在更換導熱介質測試中，會對測試數據的可靠性產生影響，從而影響工程師的判斷。

給導熱矽膠片背膠的利與弊

給導熱矽膠片背膠一般有二種形式，雙面背膠和單面背膠，下面小編為您介紹給導熱矽膠片背膠的利與弊：

一、給導熱矽膠片雙面背膠：
   雙面背膠主要是因為產品無固定裝置或不方便固定，雙面背膠可以用來固定散熱器，將IC與散熱片貼住,不需要另外設計固定結構。
   益處：可以用來固定散熱器，不需要另外設計固定結構。
   影響：導熱效果會變差，導數係數會低很多。

二、給導熱矽膠片單面背膠：
   單面背膠主要是便於導熱矽膠的安裝貼合，如某背光源使用導熱矽膠尺寸為452*5.5這樣長的尺寸，不便於安裝，因此使用單面背膠，將導熱矽膠有膠的一面貼在PCB板上，另一面貼在外殼上。
   益處：可以一面粘住發熱器表面，當組裝過程中散熱器或者殼體有相對滑動的時候，導熱矽膠片不會產生位置偏移。
   影響：導熱係數會變低,但是比雙面背效的效果要好些。
   以上得知，給導熱矽膠片不管是單面背膠還是雙面背膠都會導致導熱係數變低

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