導(dǎo)熱系數(shù)簡介

　　導(dǎo)熱系數(shù)(W/mK)熱傳導(dǎo)系數(shù)的定義為：每單位長度、每K，每小時可以傳送多少W的能量，單位為W/mK。其中“W”指熱功率單位，“m”代表長度單位米，而“K”為絕對溫度單位。該數(shù)值越大說明導(dǎo)熱性能越好。

　　導(dǎo)熱系數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)測試出來的，導(dǎo)熱系數(shù)與材料的組成、結(jié)構(gòu)、密度、含水率、溫度等因素有關(guān)。非晶體結(jié)構(gòu)、密度較低的材料，導(dǎo)熱系數(shù)較小。材料的含水率低、溫度較低時，導(dǎo)熱系數(shù)較小。通常金屬材料要大于非金屬材料，導(dǎo)體大于絕緣體，源于導(dǎo)熱是依靠電子的運(yùn)動，而固體的熱導(dǎo)率比液體的大，而液體的又要比氣體的大，這種差異很大程度上是由于這兩種狀態(tài)分子間距不同所導(dǎo)致的。鉆石是個很特殊的例外，由于結(jié)構(gòu)特殊性以及其純度相當(dāng)?shù)母?，其?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常見的金屬。

　　通常把導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料(我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡平均溫度不高于350℃時導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料)，而把導(dǎo)熱系數(shù)在0.05 W/(m.K)以下的材料稱為高效保溫材料。從上表可以看出，最好的導(dǎo)熱金屬材料是銀，其次是銅、鋁，由于價格的原因，采用銅/鋁的散熱片比較多。而空氣是非常好的保溫材料，因此家內(nèi)裝修如果是雙層玻璃會比較保溫;墻內(nèi)夾層也會采用石棉或者PP作為保溫材料，與其導(dǎo)熱系數(shù)很低不無關(guān)系。

　　如何散熱

　　首先介紹名詞——熱阻。

　　熱阻，導(dǎo)熱阻抗，面積/(長度*導(dǎo)熱系數(shù))，單位-K.㎡/w，與長度成正比，與導(dǎo)熱系數(shù)和面積成反比。熱阻越大，熱傳導(dǎo)能力就越差，相反，熱阻越小，熱量就越容易傳導(dǎo)。導(dǎo)熱系數(shù)是比例參數(shù)，而熱阻是實(shí)際的散熱效果。因此導(dǎo)熱系數(shù)越高則熱傳導(dǎo)能力越好，但是如果散熱路徑變長，則熱阻增加，反而會降低散熱效果，所以散熱，應(yīng)該綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。

　　如何散熱，說起來大家可能都會講出來很多手段，但是細(xì)究起來，可能很多概念是錯誤的，或者不完善的，甚至有可能會帶入誤區(qū)。

　　比如以下幾個說法：

　　1、導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱好

　　2、導(dǎo)熱硅膠越多越好

　　3、硅膠墊片比導(dǎo)熱硅脂好

　　4、空氣會影響散熱

　　5、金屬散熱片散熱好

　　6、散熱片發(fā)黑比原色散熱好

　　7、銅箔鉆孔可以增加散熱

　　8、銅箔去綠油可以增加散熱

　　那么這些說法對么?

　　那么我們細(xì)細(xì)說一下上面這些說法到底對不對還是有條件的正確。

　　1、導(dǎo)熱硅脂(膠)/硅膠片

　　導(dǎo)熱硅脂就是在硅脂的基礎(chǔ)上添加了金屬氧化物增強(qiáng)導(dǎo)熱能力，純正的硅膠大約0.3左右的導(dǎo)熱系數(shù)，為了增強(qiáng)導(dǎo)熱能力而添加以下幾種粉末：氧化鋁粉末、炭化硅粉末、氧化鋅粉末、氮化硼粉末等;如果對于絕緣性能要求較低，可以添加石墨或者錫等柔性金屬增加導(dǎo)熱能力(Intel原裝灰色導(dǎo)熱硅脂就是添加石墨)。

　　但是導(dǎo)熱硅脂其導(dǎo)熱系數(shù)還是不高，普通導(dǎo)熱硅脂比不上水泥的導(dǎo)熱系數(shù)1.5，那么為什么用導(dǎo)熱硅脂不用水泥?

　　原因就在于，導(dǎo)熱硅脂/硅膠導(dǎo)熱系數(shù)“遠(yuǎn)”比空氣好，空氣是一個很不好的保溫材料，當(dāng)MOS與散熱片之間接觸的時候，由于接觸面之間不夠光滑，存在空氣間隙，會導(dǎo)致熱量不能及時傳遞到散熱片而使MOS溫度劇增，最終燒壞。而導(dǎo)熱硅脂/硅膠片是柔性的，可以很好的滲入間隙中，將空氣擠出，使得熱量能夠比較好的傳遞。

　　相同面積，0.1mm厚的空氣與1mm厚的導(dǎo)熱硅脂，哪個熱阻小?

　　相同面積，0.1mm厚的導(dǎo)熱硅脂與1mm厚的導(dǎo)熱硅膠，哪個熱阻小?

　　有人會說這個問題很搞笑，但是我們生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)的狀況，硅膠片是有厚度的，相同面積，同材質(zhì)0.1mm的硅膠片熱阻就要遠(yuǎn)小于1mm的硅膠片，而使用導(dǎo)熱硅脂的話，由于散熱片和MOS的金屬部分會直接接觸，間隙更小，散熱也就更好，可是總有人會選擇厚的硅膠片，總會有人會堆積導(dǎo)熱硅膠。比如LED球燈，鋁外殼內(nèi)部塞一個驅(qū)動板，然后全部灌封導(dǎo)熱硅膠，其實(shí)對于驅(qū)動板的散熱效果很不理想。

　　所以，硅脂硅膠硅膠片，均不是用來散熱，而只是輔助散熱，設(shè)計時應(yīng)該考慮如何讓功率器件更好的接觸散熱片。硅脂能讓金屬部分直接接觸，是首選;其次就是薄的絕緣墊或者薄的導(dǎo)熱硅膠;無論使用哪種材質(zhì)，組裝過程中將MOS和散熱片之間盡可能壓接緊密是必須的，而導(dǎo)熱硅膠堆積、組裝結(jié)構(gòu)松散等會對散熱帶來致命的缺陷。當(dāng)然，很多人是被“導(dǎo)熱”的名字給誤導(dǎo)了。

　　2、空氣

　　空氣導(dǎo)熱系數(shù)很低，但不一定會影響散熱。空氣的存在假若是在高溫器件與散熱片之間，那么必然會影響散熱，例如雙層玻璃用來保溫。但是冬天室外，可以說空氣厚度無限厚，為什么會覺得冷?為什么冬天穿衣服要抗風(fēng)?為什么都說刺骨的北風(fēng)?

　　這就是因?yàn)榭諝夥譃殪o態(tài)和動態(tài)，動態(tài)時候就是“風(fēng)”，可以很好的散熱?？傊匾涀〉氖牵核械纳嵯到y(tǒng)最終都會散熱到空氣中!因此，如何在最后與空氣接觸時能夠更快的將熱量傳遞出去是散熱系統(tǒng)設(shè)計的重中之重，而形成合理的風(fēng)道是必要的手段。

　　像品牌電腦都會設(shè)計比較合理的風(fēng)道以達(dá)到理想的散熱效果，如果不能使空氣流動，往往會風(fēng)扇空轉(zhuǎn)而溫度散不出去，那么這個系統(tǒng)就是失敗的，無法取得很好的散熱效果。這是設(shè)計問題，不是空氣問題。

　　如果沒有空氣對流，全金屬外殼并不比塑料外殼散熱效果好很多，例如手機(jī)。因?yàn)镃PU熱量發(fā)出到機(jī)殼上散熱出去，中間會有一層空氣間隙，是熱阻的主要來源，相比較而言機(jī)殼的材質(zhì)影響就小很多。但是，只要加了一個小小的風(fēng)扇，溫度就可以大幅度下降，只是手機(jī)結(jié)構(gòu)限制無法使用。

　　對于功率部分散熱設(shè)計合理的系統(tǒng)，那么其余發(fā)熱較低的地方，例如控制核心等暴露在空氣中與密封在密封膠里面，其實(shí)熱阻差距并不大，也不過是幾倍的關(guān)系。因此密封膠的選擇應(yīng)首先考慮使用環(huán)境對于膠的防水、震動等要求，而不是導(dǎo)熱系數(shù)。

　　3、散熱片

　　金屬導(dǎo)熱系數(shù)高，但是不代表其散熱一定就好。

　　就算同樣是金屬，同一種金屬，一個做成金屬塊，一個做成金屬柵，相同體積的時候，后者散熱效果就好。因?yàn)樽罱K散熱媒介就是空氣，與空氣接觸面積越大就會散熱越好，所以現(xiàn)在的CPU散熱片，越是高端的，越是做的薄，做的柵多。

　　眾所周知，小米2手機(jī)中增加了一種導(dǎo)熱利器——石墨散熱膜，引發(fā)了潮流，大家爭相仿效。導(dǎo)熱系數(shù)石墨散熱膜可以做到1500，已經(jīng)超出金屬很多。

　　但是石墨散熱膜又給大家挖了個坑，“散熱膜”并不是起到散熱作用，而是導(dǎo)熱，因?yàn)槠洳]有增大與空氣接觸面積，其真正的作用是將手機(jī)內(nèi)部發(fā)熱元件的熱量進(jìn)行均衡。大家都知道手機(jī)芯片上都會貼上金屬屏蔽罩，同時起散熱作用，而有的發(fā)熱大，有的發(fā)熱小，如果依靠空氣的傳導(dǎo)效果很差，就會使一些部位溫度急劇上升，而石墨散熱膜作用就是將溫度高的散熱片熱量快速傳遞到溫度低的散熱片上，使手持設(shè)備不會出現(xiàn)局部高溫。

　　單純使用金屬條件下，散熱最好的應(yīng)該是熱管+散熱片。熱管的產(chǎn)生實(shí)際上是熱對流理論成熟的表現(xiàn)，熱管中的冷凝氣在發(fā)熱端和冷凝端來回循環(huán)，依靠氣液相之間的變化快速循環(huán)，使熱量快速傳導(dǎo)散發(fā)出去，其導(dǎo)熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的金屬。當(dāng)然成本也增加不少。這在高端的LED產(chǎn)品中可以考慮。

　　如果散熱片沒有加風(fēng)扇就是被動散熱，依靠溫差產(chǎn)生的熱對流將熱量散發(fā)到空氣中，而加上風(fēng)扇能夠?qū)崿F(xiàn)較好的風(fēng)道，是主動散熱，效果會明顯優(yōu)于被動散熱。還有一種特殊的設(shè)計，就是射流器(Synjet)，其方法就是將空氣壓縮后高速噴出，直接將芯片的熱量帶走，這必然是LED等散熱以后的發(fā)展趨勢。

　　4、發(fā)黑的散熱片

　　常見發(fā)黑只有鐵和鋁，因?yàn)殍F發(fā)黑(正確叫法：發(fā)藍(lán))生成四氧化三鐵，鋁陽極氧化后是三氧化二鋁(剛玉，藍(lán)寶石主要成分)，染色后得到發(fā)黑效果(陽極氧化電解著色)。共同的特點(diǎn)就是：致密、耐磨、抗腐蝕。而銅氧化后的氧化銅，疏松，極易吸收水分而迅速腐蝕，所以銅散熱片發(fā)黑反而會是不良。

　　實(shí)際物體在單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射熱流量可以采用Stefan - Boltzmann(史蒂芬-玻耳茲曼定律)定律計算，如果大家有興趣，可以搜索一下，有工程師做過測試，發(fā)黑后其發(fā)射率可以增加3~5倍，具體數(shù)據(jù)因?yàn)槲唇?jīng)允許所以不能引用。

　　可以見得，氧化后的氧化物可以一定程度上加大其熱輻射效果，也就是說散熱片發(fā)黑可以一定程度上降低散熱片溫度。與此同時，發(fā)黑層厚度一般小于15um，熱阻非常小，對于散熱影響并不大。

　　但是，基本上少見CPU的散熱片是發(fā)黑的，為什么?因?yàn)闇囟?在100度以下的時候，熱輻射的量很小，又處于一個封閉環(huán)境，熱輻射實(shí)際上是沒有效果的。而風(fēng)路設(shè)計合理的時候，熱對流和熱傳導(dǎo)其降低溫度的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出熱輻射的效率，因此，如果必須使用發(fā)黑處理來降低溫度，一定程度上說明散熱系統(tǒng)冗余不足。

　　5、銅箔鉆孔/銅箔去綠油

　　其實(shí)前面說了很多，這個問題如果大家仔細(xì)閱讀前面的內(nèi)容時候就應(yīng)該有了答案。

　　有人認(rèn)為去除綠油，可以使銅箔與空氣直接接觸，散熱會好一些。但是實(shí)際上并不是如此。綠油，是阻焊層的俗稱，通常為10um，熱阻非常小，并不影響多少散熱，存不存在效果差不多。去除綠油更多的應(yīng)該是通過增加焊錫而增加過電流能力。

　　鉆孔同樣不能增加與空氣接觸的面積，但是鉆孔會使上下兩層銅箔之間的熱量傳遞更快，因?yàn)镻CB中間的材質(zhì)FR-4導(dǎo)熱效果并不好，0.1左右，任何一種金屬的效果都要超出其導(dǎo)熱效果，因此鉆孔可以有效的使背面銅箔能夠快速升溫，也間接的改善了散熱效果。但是最終效果取決于兩面用于散熱銅箔的總面積，而不是鉆了多少孔、多大的孔。