硅脂导热系数越大越好,硅脂导热系数什么意思

众所周知,传热硅脂做为TIM(Thermal Interface Material,导热界面材料)主要是用于添充固态-固态中间空隙,提升接触总面积,减少页面热阻,提升热通量。

硅脂传热的能力高低,有一个非常重要的指标值,在咱们认知能力范围之内一直以来很有可能也是唯一的一个指标值,那便是导热系数,它单位是W/m.K,其界定很简单,一个物体内2个距离1米、总面积为1平方米平行面平面图,当它温度相距1K,在1秒从一个平面图传输至另一个平面的热量是为该的物质导热系数。导热系数越多,说明它传热水平越高。

导热系数有一个益处,这是原材料的一个原有主要参数,除开随环境温度略微转变外,不跟随薄厚、总面积等因素产生变化,便捷简易,因此广泛应用,热度不减。

因为导热系数很重要,加上必须有关机器设备才可以检测获得,一般客户是无法验证真实有效的,因此目前市面上每家硅脂注明的这一指标值那就是虚虚实实、假假真真,有一些已经是无知者无畏无底线的程度。

无知者无畏无底线的15.6W/m.K

像这样的把导热系数标到15.6W/m.K,那是万万没想不到,真怀疑是不是小数位标错了?!目前市场上硅脂一般是由信越和道康宁生产制造,他们所提供的导热系数强的算是在6-8W/m.K,其他各大品牌的硅脂基本上就是分开包装贴牌生产的,因此目前市面上这些动则10 导热系数的硅脂一定是虚高,关键在于,这一现象现阶段太普遍了,促使这一关键指标值已经渐渐失去实用价值。

好像跑题了,实际上今日要说的不是虚高一事。

导热系数强的传热水平反倒弱了?

假如单从导热系数来划分硅脂间性能,其实也可以本质上测算一下:

导热傅立叶基本定律:Q=K1*A*ΔT1/L = K2*A*ΔT2/L

这儿Q为传发热量,K1、K2为2款硅脂的导热系数,ΔT1、ΔT2为它们左右表面的温差,A为热传导总面积,L为硅脂层薄厚。

简易计算下 ΔT1=Q*L/A/K1、 ΔT2=Q*L/A/K2

他们之间导热性差别便是 ΔT1- ΔT2=(1/K1-1/K2)*Q*L/A

假定2款硅脂的导热系数分别是6W/m.K(顶级水准)和3.3W/m.K(一般水准),CPU的功率为200W而且发热量所有传到热管散热器(相同),硅脂厚0.08mm(正常的硅脂厚为0.07-0.1mm),热传导总面积为1060mm2(intel12代CPU的表面积),那样他们对CPU温度危害差为:

ΔT1-ΔT2=(1/6-1/3.3)*200*0.08/1060*1000=-2.1℃

换句话说,光看导热系数得话,与普通硅脂对比,顶级的硅脂(如信越7921)也只会让CPU温度再低上2℃,本质上硅脂产生的影响并没那么大。

当然,这也是光看导热系数的现象,事实上状况要更加复杂一些。

在信越官方网站所提供的一些它们技术参数:

看看耳熟能详的7868和79212款硅脂,7868的导热系数在有机溶剂蒸发后达到6.2W/m.K,比7921的6.0W/m.K更高一些,本质上7868性能应当更强。

在小圆圈注明的主要参数中,也有一项叫热阻抗,在相同薄厚下,信越7868的热阻抗是7.0mm2.K/W,而7921仅有5.8mm2.K/W,这反映了什么呢?

这表明,1mm2尺寸、25μm粗厚硅脂层,当传送1W发热量时,7868硅脂层左右表面的温差会超过7℃,而7921硅脂层表面温差唯有5.8℃。假如CPU功能损耗为200W,硅脂层总面积为1060mm2,7868表面温差为7*200/1060=1.3℃,7921表面温差为5.8*200/1060=1.1℃。(为什么那么测算,接下来会提到)

从热阻抗看来7921性能表现就是稍好于7868的,但7868的导热系数并不是更高一些应当更好一些吗?!!

在其中最重要问题在于,课本上不是说了导热系数越大热阻越小吗,为何导热系数更高7868,它热阻也很高了啦?

页面热阻和接触热阻

要清楚这种情况,先了解一下热阻。

热阻类似电阻器,这是发热量在传送过程中遇到的摩擦阻力,单位是K/W,说明1W发热量而引起的升温尺寸。显而易见热阻越多,一个物体传热水平就越不好,这跟导热系数恰好相反。针对单一材料来讲,热阻R=L/(K*A),L为薄厚,K为导热系数,A为总面积,当厚度总面积一定时,该原材料的热阻与导热系数反比。

热阻的概念R=ΔT/Q,傅立叶基本定律Q=K*A*ΔT/L,因此 R=L/(K*A)

利用系数里的热阻称之为热阻抗,常见单位mm2.K/W,其他面积单位可计算。

在各个原材料所组成的系统内,发热量流过不一样原材料间的页面的时候会遭受阻拦,这一摩擦阻力便是页面热阻,页面热阻界定为页面处温度差与穿过该界面的热量比例

以上如图所示,在CPU与热管散热器中间添充着硅脂,CPU机盖(IHS)表面温度为T1、热管散热器基座表面环境温度为T2,从CPU表面流入热管散热器基座热量为Q,那样页面热阻=(T1-T2)/Q,这其实是热阻的概念。

当热气越过页面(固态-固态/液态)时,在各个原材料的交界层上(如CPU表面-硅脂、硅脂-热管散热器基座的接触面),一般会觉得接触面两边温度是一样的,事实上接触面2个表面里的温度不相同的,换句话说存在环境温度降,这表明不一样原材料的接触页面,存在热气摩擦阻力,这一摩擦阻力便是接触热阻

因此,从CPU到热管散热器的页面热阻,其实就是三部分组成的,从CPU IHS表面到硅脂层下表面的接触热阻,硅脂层本身存有的热阻,从硅脂层上表面到热管散热器基座表面的接触热阻,即:

页面热阻 Rimp= 硅脂热阻 接触热阻下 接触热阻上= L/(K*A) Rcon

Rcon的左右表面的接触热阻总和

见到这里,大约应当能够明白,硅脂的导热系数只有确定硅脂热阻一部分大小,但整个页面热阻还和硅脂层左右表面的接触热阻相关,信越所提供的热阻抗标值正是指的是页面热阻抗,并非只表示硅脂的热阻抗。这也就是为什么导热系数同样的硅脂,但是它们的热阻不一样的缘故。

针对硅脂来讲,接触热阻与外力作用、基板材料表面表面粗糙度、硅脂的导热系数和润滑性能相关,与薄厚不相干,应对同样基板材料及相同薄厚、总面积时,接触热阻是不变的。

利用系数里的页面热阻其实就是页面热阻抗(硅脂常见单位mm2.K/W),从上述的公式计算能够得知,页面热阻抗=L/K 接触热阻抗,针对同一硅脂和基体,页面热阻和硅脂厚度成线性相关。

信越带来了一份页面热阻抗与硅脂的厚度关系图表,能够分析一下:

热阻抗与的厚度具体关联(页面热阻抗=L/K 接触热阻抗,L薄厚,K导热系数)

直线斜率同样的表明它们导热系数同样(终究直线斜率的最后就等同于导热系数,直线斜率=dy/dx),全看7762、7868和7921这三款,它们直线斜率基本一样,事实上导热系数分别是6.0、6.2、6.0,基本一样,可是同样薄厚中的热阻抗则是不同类型的,当硅脂薄厚L为0时,页面热阻抗=接触热阻抗,其实就是平行线与Y轴相交点即是相对应硅脂接触热阻抗的尺寸。

现阶段业内检测硅脂热阻和导热系数的重要方法之一ASTM D5470试验标准便是根据这种机理的。

7921和7868硅脂在25μm厚时,页面热阻抗分别是5.8mm2.K/W和7.0mm2.K/W,基础理论还可以算出它在该实验情况下的接触热阻抗,7921的接触热阻抗=页面热阻抗 - L/K = 5.8-25/6=1.63mm2.K/W,7868的接触热阻抗=7-25/6.2=2.97mm2.K/W,7868的接触热阻抗比7921显著高些得多。

前边测算过光看导热系数时,针对200W功能损耗的CPU,6W/m.K的硅脂比3.3W/m.K的可以让CPU变低2.1℃,我们携带接触热阻再算下,以信越7921和信越G-777为例子,G-777的导热系数恰好为3.3W/m.K,在56μm厚时,它页面热阻抗为21mm2.K/W,则该接触热阻抗=21-56/3.3=4.03mm2.K/W,其他测算如下所示:

假定CPU功能损耗为200W,硅脂厚度0.08mm,总面积为1060mm2,那7921和G-779功效中的CPU温度差有多少呢?

因为页面热阻抗=(T1-T2)*A/Q,因此同一硅脂表面的温差=Q*页面热阻抗/A=Q*(接触热阻抗 L/K)/A,因此:

7921的表面温差 = 200*(1.63 80/6.0)/1060=2.8℃

G-777的表面温差 = 200*(4.03 80/3.3)/1060=5.8℃

换句话说,7921比照G-777,可以让CPU再低3℃,算进去接触热阻比只测算导热系数产生的优点更突出 (●'?'●)

硅脂的传热实力,更在于其热阻尺寸

实质上,硅脂的导热性在于他在操作过程情况下的页面热阻,页面热阻包含了硅脂自身存有的热阻,这一部分与硅脂的导热系数及硅脂层总面积反比,与硅脂层薄厚正相关;此外还有硅脂与2个基体之间接触热阻,这一部分在于固态原材料的表面粗糙度、硅脂的导热系数、润滑性能、外界工作压力等。只有在硅脂比较厚时,接触热阻才可以忽略不计,但是作为一个小容差TIM原材料,硅脂厚度一般都是μm级别,因此接触热阻产生的影响确实存在。

换句话说,硅脂的导热系数至关重要(请原谅我虚假新闻),但是它不能完全确定该硅脂特性的好与坏,热阻(页面热阻)能更准确的体现出该硅脂的传热水平高低,页面热阻越低,传热能力越大。

遗憾现阶段能精确给予热阻的硅脂比能精确给予导热系数的更显微乎其微,但方法总是有的,感兴趣的小伙伴可以关注自己的后面相关知识。

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