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导热材料的选择

       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。(目前市场比较好的品牌有:道康宁,信越,国产的比较好的导热硅脂有天中山(据说是香港的一个品牌),立丰电子,华能智研,国产品牌中,我试过天中山940和酷能至尊的一个号称7.0导热系数的,效果来讲前期酷能至尊温度效果会稍微比940好个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问题。分别试问该行业的厂家同行过后得出的结论是酷能至尊以散热器为住,导热硅脂采用的是道康宁5126以及信越的7762分装而成,另外一部分选用的是天中山以及华能智研的产品做为原料分装,故未把他放入国产品牌中。)        2.导热硅胶(导热粘接胶)        导热硅胶采用的是一种含有C-Si结果的分子链基胶(107胶)在基胶中添加导热粉体。再通过交联剂把分子链交联起来,最后形成一张能粘接材质又能导热的导热粘接胶。其导热性能略低于导热硅脂,但比导热多了一个粘接的功能。可以广泛的应用在一些需要粘接的电子热元件。但是由于其导热系数无法达到导热硅脂那么高,热阻也较硅脂偏高故其无法应用与导热要求比较高的领域。

 

    (目前市场上导热硅胶的品牌和硅脂一样很多也很杂,但我要说的是。导热硅胶由于他的特殊性能以及包装要求,使得他的导热系数无法做高,国内水平一般导热系数是在0.8-1.5之间,高于此导热系数的不是没有,但是往往是牺牲他的其他一些性能来达到,例如,粘接力,剪切强度。更关键的是其表面润湿性(至于表面润湿性的重要性不懂的可以百度一下,或者见我的下期文章报高。)。目前这块的几个品牌中,由于应用不是很多。推荐的牌子有:道康宁,信越,TENSAN,和sisun)        3.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(图2),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。

  推荐的品牌有—美国eGRAF 日本松下

      4  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

  推荐的品牌有:贝格斯,莱尔德,富士玻璃,TENSAN ,以及傲川,博恩    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

    推荐品牌:贝尔斯,莱尔德        1.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。        2.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。        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.绝缘导热石墨片 石墨散热片,是一种全新的导热散热材料,具有独特的晶粒取向,沿两个方向均匀导热,片层状结构可很好地适应任何表面,屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。产品均匀散热的同时也在厚度方面提供热隔离。 导热石墨片其分子结构示意图如下: 导热石墨片分子结构图石墨导热片(GTS)解决方案独特的散热和隔热性能组合让(GTS)导热石墨成为热量管理解决方案的杰出材料选择。(GTS)导热石墨片平面内具有150-1500 W/m-K范围内的超高导热性能。 (GTS)导热石墨材料(Thermal Flexible Graphite sheet)的化学成分主要是单一的碳(C)元素,是一种自然元素矿物.薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下得到(GTS)石墨化薄膜,因为碳元素是非金属元素,但是却有金属材料的导电,导热性能,还具有象有机塑料一样的可塑性,并且还有特殊的热性能,化学稳定性,润滑和能涂敷在固体表面的等等一些良好的工艺性能,因此,导热石墨GTS)在电子,通信,照明,航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用. (GTS)石墨导热材料给热量管理工业提供了一个综合高性能的独特解决方案。(GTSS)导热石墨材料通过一系列不同的热量管理解决应用给需求日益广泛的工业散热领域带来新的技术方案,(GTS)导热石墨材料产品提供了电子工业热量管理的创新新技术。(GTS)导热石墨通过在减轻器件重量的情况下提供更优异的导热性能,(GTS)导热石墨散热解决方案是热设计的崭新应用方案。(GTS)导热石墨有效的解决电子设备的热设计难题,广泛的应用于PDP、LCD TV 、Notebook PC、UMPC、Flat Panel Display 、MPU 、Projector 、Power Supply、LED等电子产品 石墨散热材料。石墨散热材料已大量应用於通讯工业、医疗设备,SONY/DELL/Samsung笔记本,中兴手机,Samsung PDP, PC 之内存条,LED基板等散热。 GTS导热石墨与常见金属材料导热性能对比: GTS导热石墨与常见金属材料导热性能对比GTS导热石墨片热扩散示意图: GTS导热石墨片热扩散示意图导热石墨片特性: 品特性:表面可以与金属、塑胶、不干胶等其它材料组合以满足更多的设计功能和需要。 低热阻:热阻比铝低40%,比铜低20% 重量轻:重量比铝轻25%,比铜轻75% 高导热系数:石墨散热片能平滑贴附在任何平面和弯曲的表面,并能依客户的需求作任何形式的切割。 导热石墨片的应用 广泛的应用于PDP、LCD TV 、Notebook PC、UMPC、Flat Panel Display 、MPU 、Projector 、Power Supply、LED等电子产品 石墨散热材料。石墨散热材料已大量应用於通讯工业、医疗设备,SONY/DELL/Samsung笔记本,中兴手机,Samsung PDP, PC 之内存条,LED基板等散热。