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高导热性材料对整体功能有什么样的帮助?

2019-12-24

导热系数:量度物质传递热量的能力的量度。给定两个表面上有两个温度差的表面,热导率是单位时间和单位表面面积所传递的热能,除以温差1。

  导热系数是描述材料传热能力的一个整体性质。在图1中的方程中,热导率是比例因子K。传热距离被定义为通过材料(q),从温度t1到温度T2,当t1>T2 2时传递的热量的速率。

  从热到冷表面传导传热过程的图象

  图1:从热(T1)到冷(T2)表面的传导热传递过程。

  材料的热导率在电子设备的冷却过程中起着重要的作用;从模具中产生热量到电子设备容纳的机柜中,传导传热和随后的热导率是整个热管理过程的组成部分。

  热从模具到外部环境的路径是一个复杂的过程,在设计热溶液时必须理解。在过去,许多设备能够在不需要外部冷却设备的情况下运行,如散热器。在这些装置中,从模具到板的传导阻力需要优化,因为初级传热路径进入PCB。随着功率水平的提高,仅仅进入板的传热就变得不充分了。大部分热量现在通过组件的顶面直接消散到环境中。在这些新的高功率器件中,低结对通电阻非常重要,附属散热器的设计也是如此。

  为了确定材料热导率在特定的热管理应用(例如散热器)中的重要性,重要的是要分离与传导传热有关的整体热阻分为三个部分:界面,传播,和传导热阻。


  界面材料

  界面材料增强了不完全匹配表面之间的热接触。高导热材料,具有良好的表面润湿能力,将降低界面电阻。


扩展热阻

  扩展电阻是用来描述与一个较小的热源耦合到一个较大的散热片的热阻。除其他因素外,散热器底部的导热系数直接影响扩散电阻。


导通热阻

  传导阻力是衡量散热器内部热电阻的一个指标,因为热量从底部流向散热片,散热到环境中。在散热器设计中,传导阻力在自然对流和低气流条件下不那么重要,随着流速的增加,传导阻力变得更为重要。

  常见的导热系数的单位是W / mK和BTU /小时英尺°F.

  在电子工业中,不断推动更小尺寸和更快的速度已经大大降低了许多部件的规模。由于这种转变现在从宏观到微观尺度上继续下去,考虑导热系数的影响,而不是假设整体性质仍然是准确的。基于连续介质的傅立叶方程不能预测这些尺度下的热特性。更完整的方法,如玻耳兹曼输运方程和格子玻尔兹曼方法,需要3。

  厚度对电导率的影响可以在图2中看到。这种材料的特点是硅,广泛应用于电子领域。

  硅薄膜的热导率图像

硅薄膜的热导率

  图2:硅薄膜3的热导率。

  与许多物理性质一样,热导率可以是各向异性的,这取决于材料(定向依赖)。晶体和石墨是这种材料的两个例子。石墨已被用于电子工业中,它的高面内导电性是有价值的。石墨晶体具有很高的面内导电率(2000 W / MK),因为它们的基面上有很强的碳-碳键合。然而,平行的基面彼此间有弱的结合,垂直于这些平面的热导率相当低(10 W / MK)4。

  热导率不仅受厚度和方向变化的影响,而且温度对整体大小也有影响。由于材料温度的升高,内部粒子速度增大,热导率也随之增加。这种增加的速度传递热量,阻力较小。威德曼-弗兰兹定律描述相关的导热和导电性对温度的这种行为。重要的是要注意,温度对热导率的影响是非线性的,很难预测,没有事先的研究。下面的图表显示了宽温度范围内的导热性能。这两种材料,氮化铝和硅,广泛用于电子(图3和4,分别)。

  氮化铝导热系数图像

碳化铝的导热率

  图3:氮化铝的导热系数与温度的关系。

  硅的热导率图像

导热硅的导热率

  图4:硅的热导率与温度5的函数。

  在未来,更高功率的多核处理器将进一步提高热导率的需求。因此,对电子封装用现有材料的热导率增强的研究和开发也是值得的。其中一个领域是纳米技术对热导率的影响,其中碳纳米管由于大的声子平均自由程7而显示出接近金刚石的电导率值。新材料的开发和现有材料的增强,将导致更有效的热管理,因为设备的功耗是稳步上升。


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