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散熱管理的新選擇——導(dǎo)熱墊片

2019-10-31 15:53:09

隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對材料不斷提出新的要求。在電子電器領(lǐng)域,由于集成技術(shù)和組裝技術(shù)的迅速發(fā)展,電子元件、邏輯電路向輕、薄、小的方向發(fā)展,發(fā)熱量也隨之增加,從而需要高導(dǎo)熱的絕緣材料,有效的去除電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量,這關(guān)系到產(chǎn)品的使用壽命和質(zhì)量的可靠性。

以前常用的冷卻方法有:自然冷卻、通風(fēng)或者使用更大的機殼。隨著發(fā)熱區(qū)域越來越廣,產(chǎn)生的熱量也越來越大,迫使電子設(shè)備廠商不得不采取更為有效的散熱措施。熱界面材料也就應(yīng)運而生。

導(dǎo)熱墊片就是熱界面材料中的一種,廣義上講,是指能起傳導(dǎo)熱效果的片狀物體,這樣的物體可以是金屬板、環(huán)氧導(dǎo)熱片材、導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱橡膠等;一般來說,我們將使用硅橡膠材質(zhì)作為基礎(chǔ)框架、填充導(dǎo)熱物質(zhì)的片狀導(dǎo)熱絕緣硅橡膠材料稱為導(dǎo)熱墊片,也稱為導(dǎo)熱硅橡膠。 

導(dǎo)熱墊片的優(yōu)勢

導(dǎo)熱墊片作為熱界面材料中的一種,其相較于其它熱界面材料的優(yōu)點是比較明顯的。首先,導(dǎo)熱墊片具有可壓縮性,柔軟且有彈性,對于低壓力下的應(yīng)用環(huán)境有緩沖和防震的作用;其次,導(dǎo)熱墊片均有一定的自粘性,對于不需要高粘性的應(yīng)用場合來說,不需要額外在導(dǎo)熱墊片表面涂抹粘合劑;第三,導(dǎo)熱墊片的厚度是可選擇的,對于不同的間隙,可選擇不同厚度的導(dǎo)熱墊片,也就是說,導(dǎo)熱墊片具有更為寬廣的應(yīng)用環(huán)境;第四,區(qū)別與導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱灌封膠及導(dǎo)熱相變材料等其它熱界面材料,導(dǎo)熱墊片可以方便地重復(fù)使用,對于安裝、測試非常重要;最后還要指出的是,導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)是很穩(wěn)定的,不會因為厚度的增減而影響熱傳導(dǎo)效果,這一點較之導(dǎo)熱硅脂有很大的不同。 

導(dǎo)熱墊片的適用領(lǐng)域

從傳熱與輔助散熱效果來看,導(dǎo)熱墊片與其它導(dǎo)熱材料區(qū)別并不大,如果有區(qū)別也只是由導(dǎo)熱系數(shù)高低引起的。它們真正的區(qū)別在于不同的應(yīng)用領(lǐng)域,或者說不同的應(yīng)用部件。適合導(dǎo)熱墊片的應(yīng)用領(lǐng)域主要是:高速硬盤驅(qū)動器、PCB板、內(nèi)存模塊、功率電源模塊、散熱模組、晶體管、電子管、汽車發(fā)動機控制裝置、通訊硬件、家用電器、LCD、大功率LED、移動設(shè)備以及軍事用品上。在這些領(lǐng)域之所以使用導(dǎo)熱墊片而不是導(dǎo)熱硅脂等其它熱界面材料,主要有以下幾點:1)導(dǎo)熱墊片可以重復(fù)安裝,對生產(chǎn)操作比較有利:即節(jié)約時間又比較省事;而導(dǎo)熱硅脂涂抹不方便、且不方便重復(fù)安裝操作,比較費時費事;2)這些電子產(chǎn)品內(nèi)部的電子元器件比較集中,因而會使得各個電子元器件之間高低不一,使用導(dǎo)熱墊片一般一片就可以覆蓋全部發(fā)熱源。3)這類電子元器件與散熱器件的距離一般都較大,而導(dǎo)熱硅脂在厚度增大時熱阻也會急劇增大,對熱傳導(dǎo)非常不利,導(dǎo)熱墊片則不會因為厚度的變化而影響熱傳導(dǎo)效果;4)電子元器件一般面積比較大,涂抹導(dǎo)熱硅脂很難做到涂抹均勻,對發(fā)熱源的熱量傳導(dǎo)不利,而使用導(dǎo)熱墊片完全不用考慮這個問題,因為導(dǎo)熱墊片尺寸已固定,且有較好的壓縮性,對這些電子元器件散熱更有利;5)導(dǎo)熱墊片性能穩(wěn)定,在高溫時不會滲油,而導(dǎo)熱硅脂一般在高溫時會有硅油滲出、表面積存灰塵,從而影響電子元器件的使用壽命。

相對來說,導(dǎo)熱墊片對于CPU及GPU的應(yīng)用不太適合,因為這類部件通常周圍空間很小,導(dǎo)熱墊片的熱阻雖然能達(dá)到工藝要求,但厚度卻很難做到足夠薄(如0.1mm、0.05mm等)。 

導(dǎo)熱墊片的應(yīng)用

導(dǎo)熱墊片的使用非常簡單,直接將導(dǎo)熱墊片置于發(fā)熱電子元器件與散熱器之間即可。當(dāng)然,為了更充分的發(fā)揮導(dǎo)熱墊片的作用,最好在散熱器—導(dǎo)熱墊片—發(fā)熱電子元器件之間適當(dāng)適量的壓力,以使導(dǎo)熱墊片與發(fā)熱電子元器件及散熱器接觸更緊密,這樣能適當(dāng)?shù)慕档徒缑娼佑|熱阻,更有利于熱量的傳導(dǎo),從而讓發(fā)熱電子元器件上的溫度保持在合適的范圍,增加電子元器件的使用壽命。

對于發(fā)熱量較低的電子元器件,如日照照明設(shè)備、記憶存儲模塊及其它低導(dǎo)熱要求的電源模塊等,導(dǎo)熱系數(shù)為1.0W/mK以下的導(dǎo)熱墊片是比較合適的選擇,;對發(fā)熱較多的電子元器件,我們推薦使用導(dǎo)熱系數(shù)為2.0W/mK左右的導(dǎo)熱墊片,如高速大存儲驅(qū)動、計算機散熱模組、汽車發(fā)動機控制單元及LCD背光模組等;對發(fā)熱非常多的電子元器件,我們推薦使用導(dǎo)熱系數(shù)為3.0W/mK及以上的導(dǎo)熱墊片,如大型功率轉(zhuǎn)換設(shè)備、大功率電源設(shè)備、GPU、CPU、硬度驅(qū)動及其它高導(dǎo)熱需求的模塊。

對于具體需求的導(dǎo)熱墊片要多大的導(dǎo)熱系數(shù),使用者也可以根據(jù)下面的公式計算,進(jìn)行大致的判斷。如,根據(jù)發(fā)熱電子元器件單位時間內(nèi)發(fā)熱的數(shù)量以及電子元器件能承受的熱量,從而推斷出單位時間內(nèi)必須轉(zhuǎn)移多少熱量,再由電子元器件的面積及其與散熱器之間的距離,即可大致判斷導(dǎo)熱系數(shù)為多少的導(dǎo)熱墊片比較適合。

導(dǎo)熱系數(shù)計算公式(測試標(biāo)準(zhǔn)為修正版ASTM D2326,hotdisk計算公式):

image.png

其中,λ為導(dǎo)熱系數(shù)(W/mK),P0為電力,也即功率(W),r為熱傳感半徑(m),τ , 為熱擴散率(mm2/s),t為測試時間(s),D(τ)為τ函數(shù),ΔT(τ)為熱傳感器增加的溫度(K)。 

此外,在導(dǎo)熱墊片的選擇和使用上,還有一些小竅門:

1)先確認(rèn)發(fā)熱電子元器件和散熱器件的尺寸規(guī)格,以表面大者為基準(zhǔn)選擇導(dǎo)熱墊片。這樣增加了接觸面,能更加有效的進(jìn)行熱傳導(dǎo);

2)選擇合適厚度的導(dǎo)熱墊片,根據(jù)熱源與散熱器之間的距離選擇合適的厚度。如果是單一的發(fā)熱器件,建議使用薄型的導(dǎo)熱墊片,這樣可以獲得更低的熱阻,提升熱傳導(dǎo)效果;如果是多個發(fā)熱器件集中在一起,建議使用厚型的導(dǎo)熱墊片,這樣可以用一片導(dǎo)熱墊片覆蓋多個發(fā)熱器件,即使各部件高度不一。另外,厚型的導(dǎo)熱墊片熱容量更大,如果熱源出現(xiàn)瞬間大量生熱情況下,厚型導(dǎo)熱墊片可以有效吸收這部分意外產(chǎn)生的大量熱量,從而保護(hù)元器件。

3)導(dǎo)熱墊片具有可壓縮能力,在選擇導(dǎo)熱墊片時,可適當(dāng)選擇稍厚一些,這樣在導(dǎo)熱墊片安裝好之后,能適當(dāng)降低導(dǎo)熱墊片與發(fā)熱電子元器件及散熱器件之間的接觸熱阻,提升熱傳導(dǎo)效果。

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