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中国LED网论坛 » LED灯具结构/散热/光学设计
版主:  HXFHXF   设计札记   Anna 
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乞丐   -548  2017/6/14 8:47:00
楼主
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。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℃~220℃,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、导热硅胶片
 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2.6W/mK,抗电压击穿值4000伏以上,是是取代导热硅脂的替代伟德,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的二元散热系统的最佳伟德。该类伟德可任意裁切,利于满足自动化生产和伟德维护。                          
 硅胶导热绝缘垫的工艺厚度从0.5mm~14mm不等,每0.5mm一加,即0.5mm  1mm  1.5mm  2mm~5mm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、人工合成石墨片
 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等伟德的散热系统。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,但是这些伟德在市面上很少见。
     

 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**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℃~220℃。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伟德成本,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伟德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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实习生   13  2017/8/17 9:30:00
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