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導熱材料
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導熱材料

 

電子器件越來越小,功率越來越高,散熱成為至關重要的問題。不論是電腦的CPU還是LED的燈珠,只有將核心位置的溫度降低才能有高效的性能和長期的使用壽命。熱管理(thermal management)是一門系統設計工程,它涉及到從發熱部件到散熱器以及周圍環境熱量流通等工程和材料科學。 為了尋找最佳的解決方案,工程師和學者們傾入了相當的時間,至今這一問題一直伴隨著電子和LED工業中最新技術的發展。

 

一.             熱阻

         首先,了解一下熱傳導的途徑中有哪些障礙。

         1描述了一個典型的發熱元件(這里是CPU)通過散熱器把熱散掉。如果熱的主要傳導途徑如圖中箭頭所示(實際情況也基本如此),這個熱傳導通道的關鍵是散熱器和芯片之間的導熱介質。如果這個介質的熱阻非常大(當這個空隙是空氣時就是這種情況),熱就無法有效的從芯片傳遞到散熱器,那么芯片的工作溫度就比較高。

 


1.電腦CPU散熱途徑示意圖    

                                                                                                                    

 2. 導熱介質熱阻示意圖



        這個介質的熱阻可以用以下公式表述。

 

R = L/K + R1+R2


                   這里 R是熱阻,L是介質的厚度,K是介質的導熱率, R1R2分別是導熱介質與兩個界面的熱阻。

         因此,為了使R最小,介質厚度越小,導熱材料的導熱率越高越好。同時,界面的熱阻R1R2越小越好。造成R1R2的是界面中由于凹凸不平所穴居的空氣泡 (如圖2所示)。因此,導熱材料越軟對于排除穴居的氣泡能力越好。因此,流動的導熱膠或導熱硅脂是減少界面熱阻的好材料,而大多數導熱墊片的界面熱阻都較大。

        

二.             導熱材料的選擇

綜上所述,芯片與散熱器之間厚度要薄,介質的導熱率要大,導熱材料要軟,這三個因素是降低熱阻的重要方面。

1.       芯片與散熱器之間厚度

這個厚度與散熱器和芯片的平整度有關系,如果這兩個物體表面不平整,平均厚度就會較大。如果芯片和散熱器表面的平整度不是問題,導熱介質可壓縮的最小厚度將是關鍵問題。因此,導熱硅脂的粘度不可太高,其中的最大顆粒也不能太大。導熱墊片永遠無法達到象導熱硅脂一樣的厚度。

2.       導熱介質的導熱率越大越好。 大部分導熱介質都是由導熱填料(無機化合物粉末)與有機高分子材料(有機硅聚合物)混合而成。有機高分子材料本身導熱率非常低(~0.2W/mK)。混合物的導熱率主要是靠填料顆粒的接觸而產生。因此,填料在混合體中的體積比與導熱率相關。當導熱填料在混合物中的堆積密度到一定程度后,導熱率驟然增加。不幸的是,混合物的粘度也急劇增加。選擇適當的導熱填料是配方的重要部分。表1中列出了一些常用物質的導熱率。比如,銀粉在配方中的導熱能力要比氧化鋁好一些。盡管如此,普通無機填料和有機高分子材料的混合物的導熱率一般在5 W/mK以下。高導熱的配方材料也有,但大多數不太適用或成本太高。因此,在選擇導熱材料時,要平衡多方面的性能,以保證最優的效果。

3.       界面熱阻是全部熱阻的一部分,有時是非常重要的一部分。這一點可能被忽視。沒有經驗的工程師可能只追求高導熱率的導熱材料,但忘記了材料與發熱表面和散熱器表面的熱阻也要非常小。如前所述,非常軟的材料可以“滲透”到表面的凹槽中,擠出凹穴中的空氣,成功的降低了表面熱阻。如果導熱材料很硬,如大部分導熱墊片,表面熱阻都挺高。

 

三.             導熱材料的長期穩定性

導熱材料的長期穩定性也是選材中非常重要的一環。與其它性能參數不同,導熱材料的長期穩定性比較難評估。導熱硅脂是導熱材料中性能優異的一類,這要源于它們能夠使熱阻R較低。甚至導熱率不是很高的導熱硅脂由于介質的厚度可以很薄,對基材表面接觸好,總熱阻也可以很低。然而,導熱硅脂最大的問題是由于油離可能產生的不穩定性。好的導熱硅脂可以使油離度非常低,因此產品的長期穩定性不是問題。同時,在導熱硅脂中加入輕度交聯,或者通過相變材料來改善油離問題也是目前比較熱門的新產品開發方案。


 

四.             產品對照參考

 

道康寧產品

歐賽爾產品

備注

CN8880

SG501

導熱硅脂, 1 W/mK導熱率

SC102

SG502

導熱硅脂。SC102導熱率為0.8W/mK TG5021.4W/mK。兩個產品都可以通過鋼網印刷使用。熱阻都非常低

TG5021

SG504

高端導熱硅脂。導熱率都在2.5W/mK以上。針對高端導熱應用。可鋼網印刷。熱阻非常低。

1-4173

SR347

熱固化單組份導熱膠。導熱率~ 1.8 W/mK

3-6652-A&B

SD628X-A&B

導熱填縫膠。雙組份,加成型。固化后很軟。導熱率~1.8 W/mK


 

1 常用材料的導熱系數

材料

導熱系數 (W/m·K

 

材料

導熱系數 (W/m·K

鉆石

2300

 

氧化鋁

30

230

 

氮化鋁

100

412

 

氧化硅

20

377

 

氧化鋅

25

石墨

151

 

氮化硼

130

鑄鐵

48

 

氧化鎂

36

33

 

玻璃

1.09

57

 

云母

0.43

不銹鋼

16

 

硬橡皮

0.15

硅油

0.2

 

空氣

0.02

 

 

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