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          行業動態

          關于幾種導熱散熱材料的應用

          來源:http://www.qchhzl.fun點擊1411作者:聯騰達 發布:2018-01-13打印文本

          簡單的介紹幾種導熱材料
          說到散熱系統,很多人想到的是風扇和散熱片。其實,他們忽視了一個并不起眼、但卻發揮著重要作用的媒介物--導熱介質。電腦CPU是典型的需要良好散熱的功率器件,就此我們來說說導熱材料.希望大家討論一下,發表自己對各類功率器件散熱的心得和看法.
            
            為何需要導熱介質?
            可能有人會認為,CPU表面或散熱片底部都非常光滑,它們之間不需要導熱介質。這種觀點是錯誤的!由于機械加工不可能做出理想化的平整面,因此在CPU與散熱器之間存在很多溝壑或空隙,其中都是空氣。我們知道,空氣的熱阻值很高,因此必須用其他物質來降低熱阻,否則散熱器的性能會大打折扣,甚至無法發揮作用。于是導熱介質就應運而生了,它的作用就是填充處理器與散熱器之間大大小小的空隙,增大發熱源與散熱片的接觸面積。因此,熱傳導只是導熱介質的一個作用,增加CPU和散熱器的有效接觸面積才是它最重要的作用。
            導熱介質有哪些?
            1、導熱硅脂
            導熱硅脂是目前應用最廣泛的一種導熱介質,它是以硅油為原料,并添加增稠劑等填充劑,在經過加熱減壓、研磨等工藝之后形成的一種酯狀物,該物質有一定的黏稠度,沒有明顯的顆粒感。導熱硅脂的工作溫度一般在-50℃~180℃,它具有不錯的導熱性、耐高溫、耐老化和防水特性。


            在器件散熱過程中,經過加熱達到一定狀態之后,導熱硅脂便呈現出半流質狀態,充分填充CPU 和散熱片之間的空隙,使得兩者之間接合得更為緊密,進而加強熱量傳導。通常情況下,導熱硅脂不溶于水,不易被氧化,還具備一定的潤滑性和電絕緣性。


            2、導熱硅膠
            和導熱硅脂一樣,導熱硅膠也是由硅油添加一定的化學原料,并經過化學加工而成。但和導熱硅脂不同的是,在它所添加的化學原料里有某種黏性物質,因此成品的導熱硅膠具有一定的黏合力。
            導熱硅膠最大的特點是凝固后質地堅硬,其導熱性能略低于導熱硅脂。目前,市面上有兩種導熱硅膠:一種在凝固后為白色固體,另一種在凝固后為黑色帶有光澤的固體。一般廠商都習慣用第一種硅膠作為散熱片和發熱物體之間的黏合劑,它的優點是黏性非常強,可這又恰恰成了它的缺點。我們需要維修時,往往在費盡九牛二虎之力將黏合的器件和散熱器分離后,會發現兩者的接觸面上殘留大量的固體白色硅膠,這些硅膠相當難以清除干凈。
            相比之下,第二種硅膠優勢就比較明顯:一來它的散熱效率要高于第一種,二來它凝固后生成的黑色固體較脆,殘留物很容易清除。不管怎樣,導熱硅膠的導熱效能不強,而且容易把器件和散熱器“黏死”,因此除非特殊情況才推薦用戶采用。
            3、軟性硅膠導熱墊
            軟性硅膠導熱絕緣墊具有良好的導熱能力和高等級的耐壓絕緣,導熱系數1.75W/mK,抗電壓擊穿值4000伏以上,是是取代導熱硅脂的替代產品,其材料本身具有一定的柔韌性,很好的貼合功率器件與散熱鋁片或機器外殼間的,從而達到最好的導熱及散熱目的,符合目前電子行業對導熱材料的要求,是替代導熱硅脂導熱膏加云母片的二元散熱系統的最佳產品。該類產品可任意裁切,利于滿足自動化生產和產品維護。                          
            硅膠導熱絕緣墊的工藝厚度從0.5mm~5mm不等,每0.5mm一加,即0.5mm  1mm  1.5mm  2mm~5mm,特殊要求可增至15mm,專門為利用縫隙傳遞熱量的設計方案生產,能夠填充縫隙,完成發熱部位與散熱部位的熱傳遞,同時還起到減震 絕緣 密封等作用,能夠滿足社設備小型化 超薄化的設計要求,是極具工藝性和使用性的新材料.
            阻燃防火性能符合U.L 94V-0 要求,并符合歐盟SGS環保認證
            4、石墨墊片
            這種導熱介質較為少見,一般應用于一些發熱量較小的物體之上。它采用石墨復合材料,經過一定的化學處理,導熱效果極佳,適用于電子芯片、CPU等產品的散熱系統。在早期的Intel盒裝P4處理器中,附著在散熱器底部上的物質就是一種名為M751的石墨導熱墊片,這種導熱介質的優點是沒有黏性,不會在拆卸散熱器的時候將CPU從底座上“連根拔起”。
          上述幾種常見的導熱介質外,鋁箔導熱墊片、相變導熱墊片(外加保護膜)等也屬于導熱介質,但是這些產品在市面上很少見。
                
            5、相變導熱材料
            相變材料主要用于要求熱阻小,熱傳導效率高的高性能器件,主要用于微處理器和要求熱阻低的功率器件,以確保良好散熱.相變導熱材料在45℃-58℃時發生相變并在壓力作用下流進并填充發熱體和散熱器之間的不規則間隙,擠走空氣,以形成良好導熱介面.


            導熱材料也有性能參數
            由于導熱硅脂屬于一種化學物質,因此它也有反映自身工作特性的相關性能參數。我們只要了解這些參數的含義,就可以判斷一款導熱材料的性能高低。
            1、熱傳導系數
            導熱硅脂的熱傳導系數與散熱器的基本一致,它的單位為W/mK,即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文(1K=1℃)時的熱傳導功率。數值越大,表明該材料的熱傳遞速度越快,導熱性能越好。目前主流導熱硅脂的熱傳導系數均大于1.134W/mK。
            2、工作溫度
            工作溫度是確保導熱材料處于固態或液態的一個重要參數,溫度過高,導熱材料會因轉化為液體;溫度過低,它又會因黏稠度增加變成固態,這兩種情況都不利于散熱。導熱硅脂的工作溫度一般在-50℃~180℃。對于導熱硅脂的工作溫度,我們不用擔心,畢竟通過常規手段很難將CPU的溫度超出這個范圍。
            3、熱阻系數
            熱阻系數表示物體對熱量傳導的阻礙效果。熱阻的概念與電阻非常類似,單位也與之相仿(℃/W),即物體持續傳熱功率為1W時,導熱路徑兩端的溫差。熱阻顯然是越低越好,因為相同的環境溫度與導熱功率下,熱阻越低,發熱物體的溫度就越低。熱阻的大小與導熱硅脂所采用的材料有很大的關系。
            4、介電常數
            對于部分沒有金屬頂蓋保護的CPU而言,介電常數是個非常重要的參數,這關系到計算機內部是否存在短路的問題。普通導熱硅脂所采用的都是絕緣性較好的材料,但是部分特殊硅脂(如含銀硅脂等)則可能有一定的導電性。現在許多CPU都加裝了用于導熱和保護核心的金屬頂蓋,因此不必擔心導熱硅脂溢出而帶來的短路問題。目前主流散熱器所用導熱硅脂的介電常數都大于5.1。
            5、黏度
            黏度即指導熱硅脂的黏稠度。一般來說,導熱硅脂的黏度在68左右。


            6、絕緣
          導熱硅膠片與導熱硅脂和導熱雙面膠的優缺點對比
          導熱硅膠片相對于導熱硅脂和導熱雙面膠有以下優勢:


              *導熱系數的范圍以及穩定度
              *結構上工藝工差的彌合,降低散熱器和散熱結構件的工藝工差要求
              *EMC,絕緣的性能
              *減震吸音的效果
              *安裝,測試,可重復使用的便捷性
              **導熱系數的范圍以及穩定度
              導熱硅膠片在導熱系數方面可選擇性較大,可以從0.8w/k.m ----3.0w/k.m以上,且性能穩定,長期使用可靠.
              導熱雙面膠目前最高導熱系數不超過1.0w/k-m的,導熱效果不理想;
              導熱硅脂屬常溫固化工藝,在高溫狀態下易產生表面干裂,性能不穩定,容易揮發以及流動,導熱能力會逐步下降,不利于長期的可靠系統運作. 
              **彌合結構工藝工差,降低散熱器以及散熱結構件的工藝工差要求
              導熱硅膠片厚度,軟硬度可根據設計的不同進行調節,因此在導熱通道中可以彌合散熱結構,芯片等尺寸工差,降低對結構設計中對散熱器件接觸面的工差要求,特別是對平面度,粗糙度的工差,如果提高加工精度則會在很大程度上提高產品成本,因此導熱硅膠片可以充分增大發熱體與散熱器件的接觸面積,降低了散熱器的生產成本。
              除了傳統的PC行業,現在新的散熱方案就是去掉傳統的散熱器,將結構件和散熱器統一成散熱結構件。在PCB布局中將散熱芯片布局在背面,或在正面布局時,在需要散熱的芯片周圍開散熱孔,將熱量通過銅箔等導到PCB背面,然后通過導熱硅膠片填充建立導熱通道導到PCB下方或側面的散熱結構件(金屬支架,金屬外殼),對整體散熱結構進行優化,同時也降低整個散熱方案的成本。
              **EMC,絕緣的性能
              導熱硅膠片因本身材料特性具有絕緣導熱特性,對EMC具有很好的防護,由硅膠材質的原因不容易被刺穿和在受壓狀態下撕裂或破損,EMC可靠性就比較好。
              導熱雙面膠因其材料本身特性的限制,它對EMC防護性能比較低,很多時候達不到客戶需求,在使用時比較局限,一般只有在芯片本身做了絕緣處理或芯片表面做了EMC防護時才可以使用。
              導熱硅脂因材料特性本身的EMC防護性能也比較低,很多時候達不到客戶需求,在使用時比較局限,一般只有芯片本身做了絕緣處理或芯片表面做了EMC防護才可以使用。
              **減震吸音的效果
              導熱硅膠片的硅膠載體決定了會有很好彈性和壓縮比,從而有很好減震效果,再調整密度和軟硬度可以產生對低頻電磁噪聲起到很好的吸收作用。
              導熱雙面膠的粘接使用方式決定了它不具有減震吸音效果。
              導熱硅脂硬接觸使用方式決定了它不具有減震吸音效果。
              **安裝,測試,可重復使用的便捷性 
              導熱硅膠片為穩定固態,被膠強度可選,拆卸方便;有彈性回復,可重復使用。
              導熱雙面膠一旦使用,不易拆卸,存在損壞芯片和周圍器件的風險,不易拆卸徹底。在刮徹底時,會刮傷芯片表面以及搽拭時帶上粉塵,油污等干擾因素,不利于導熱和可靠防護。
              導熱硅脂不能拆卸,必須小心翼翼的搽拭,也不易搽拭徹底,特別在更換導熱介質測試中,會對測試數據的可靠性產生影響,從而影響工程師的判斷。
          給導熱硅膠片背膠的利與弊
          給導熱硅膠片背膠一般有二種形式,雙面背膠和單面背膠,下面AOK小編為您介紹給導熱硅膠片背膠的利與弊:
          一、給導熱硅膠片雙面背膠:
              雙面背膠主要是因為產品無固定裝置或不方便固定,雙面背膠可以用來固定散熱器,將IC與散熱片貼住,不需要另外設計固定結構。
              益處:可以用來固定散熱器,不需要另外設計固定結構。
              影響:導熱效果會變差,導數系數會低很多。
          二、給導熱硅膠片單面背膠:
              單面背膠主要是便于導熱硅膠的安裝貼合,如某背光源使用導熱硅膠尺寸為452*5.5這樣長的尺寸,不便于安裝,因此使用單面背膠,將導熱硅膠有膠的一面貼在PCB板上,另一面貼在外殼上。
              益處:可以一面粘住發熱器表面,當組裝過程中散熱器或者殼體有相對滑動的時候,導熱硅膠片不會產生位置偏移。
              影響:導熱系數會變低,但是比雙面背效的效果要好些。
              以上得知,給導熱硅膠片不管是單面背膠還是雙面背膠都會導致導熱系數變低
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