【技术】导热材料选型之导热系数和热阻的关系

2017-06-15 世强 沙河之西

热管理是电子行业,尤其是汽车电子,光电,消费电子等领域中新一代产品的关键设计难点,热管理过程的目标就是从半导体与周围环境的结合部分有效散热。

对于界面材料的热传导,一般按一维来处理,其热传导过程可用傅立叶方程(热传导的基础理论)描述:


P=K*A*△T/△X ——(1)
P:热源功率,单位w
K:导热系数,单位w/m•k
A:有效接触面积,单位m²

△X:壁面的有效接合厚度,单位m
△T:热量流入面与流出面之间的温差,单位℃

热阻:表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力,描述为:
R=△T/P=△T /(K*A*△T /△d) = △X/ (K*A)——(2)

导热系数是描述材料导热能力的一个物理量,为单一材料的固有特性,与材料的大小、形状无关。指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在1秒钟内,通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米•度 (w/(m•K))。

而对于采用玻璃丝网或聚合物膜加固的界面材料,由于其导热系数取决于不同材料层的相对厚度及导热的方向性能,所以用相对导热系数来表征材料的导热性能更合适。

导热系数和热阻用来描述热量进入材料中后在材料中的传递。由于实际表面永远不会绝对的平坦或光滑。因此,表面和材料之间的接触面也可能会产生对热流的阻力。图1所示,微观尺度上的表面不规则和宏观尺度上的表面扭曲。


图1:物体实际接触表面与热流动微观图


实际接触在高点发生,凹陷处会形成空气间隙。空气是热的不良导体,其间隙会抵抗热流动,使得更多的热从接触点流过。这种限制阻力叫表面接触阻力,可在所有相互接触表面上发生。

对于导热界面材料,用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适,热阻抗定义为其热阻和与接触表面间的接触热阻之和,表示如下:两个相互接触的表面及流过界面的热流公式


Z^θ=d/(K•A)+Ri ——(3)


表面平直度、表面粗糙度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响,而这些又与实际应用条件有关,所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配。

在实际应用中影响热阻抗影响的因素有:
1)接触面积A:接触面积增加,装配热阻减小。
2)材料厚度d:绝缘厚度增加,材料的装配热阻增大。
3)装配压力(Pressure):在理想条件下,装配压力增加,热阻减小,但压力增加到一定值后,热阻减小的幅度很小,该点的压力则为材料的最佳压力值。
4)装配热阻的大小还跟测试方法有关。

由于这些影响因素在不同的应用中可能会有所不同,材料的热阻抗也将会随应用的不同而变化。所以,导热界面材料的选择不能单独看到热系数或热阻,要根据实际应用环境,比如间隙大小,装配压力等作出合适的决定。因此我们要综合考虑材料的导热系数和硬度,厚度。

世强代理了知名导热产品品牌Laird(莱尔德科技),供应丰富的导热系数、硬度、厚度的导热界面材料产品组合,为用户提供多样的优质选择。


表1:热门导热界面材料型号


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  • 遇见无限可能 Lv3 . 高级工程师 2017-12-09
    学习学习
  • Jackie0078 Lv3 . 高级工程师 2017-12-04
    理论知识还是要学习学习的,谢谢分享
  • 小强哥 Lv3 . 高级工程师 2017-11-29
    学习学习
  • yingqiming Lv4 . 资深工程师 2017-11-28
    学习了
  • 开哥哥 Lv5 . 技术专家 2017-11-25
    学习了
  • 耕者 Lv4 . 资深工程师 2017-11-08
    好东西,理论加实践!收藏好好学习!
  • 压力大 Lv4 . 资深工程师 2017-11-02
    支持一下
  • 嘿仔 Lv5 . 技术专家 2017-10-28
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