热管理结构设计 |如何选择导热垫/胶

文摘   2024-12-02 17:37   江苏  
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    导热垫片是在硅胶内添加导热粉体(氧化铝,氮化硼等),经过高温硫化,成型后的一款具有柔性,弹性,微粘性,导热性等特性为一体的一种高性能间隙填充材料。

    结合实际装配经验及以上结论,下面几点应该是选择导热垫片时最应该参考的因素:
    1,材料的导热系数。其他条件不变的情况下,热阻值与导热系数是反比关系,导热系数越高,热阻值越低,导热效果就越好。一般来讲,导热系数的提高依赖于硅胶内填料的增加,以及更高导热粉体(例如氮化硼等)的应用,相对成本也会更高一些。
    导热系数(又称热导率)是表示物质导热能力的物理量,反映了物体导热能力的大小,可以用来比较不同材料的导热性能。常用符号k表示。
    导热系数的定义是:在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在1秒内(1s),通过1平方米面积传递的热量。导热系数的单位为W/(m·K),即瓦特每米每开尔文。
    导热系数使用国际单位制(SI 单位)W/m•K(瓦特每米每开氏度)进行量化,是热阻率的倒数,它是测量物体抵抗热传的能力。导热系数可以使用以下公式计算:
    k=Q∗L/A(T2-T1)
    其中:
    Q即热流(W)
    L即材料的长度或厚度(m)
    AA 即材料面积(m²)
    T2−T1即温度梯度差(K)
    空气的导热系数是0.026 W/(m·K),空气的导热系数较低,表明它的导热能力较弱,因此它不适合作为导热材料,反而可以用来当隔热材料,比如空气屏障就是利用空气导热系数很低的特点来隔绝热量的传递。
    水的导热系数是0.6 W/(m·K),水的导热系数是空气的20倍,比空气高得多,在室温下,水可以用作一般的导热材料,但其性能有限,它被广泛应用于工业和家用设备中。
    铜是一种优秀的导热材料,它的导热系数是400 W/(m·K),这意味着单位温差下,单位面积上单位时间传递的热量是空气的15000倍,是水的666倍。铜具有优秀的导热性能,可以有效地传递热量,并可以用作电子设备的散热材料
    导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料,导热系数较小。材料的含水率、温度较低时,导热系数较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料。金属,陶瓷,石墨片属于导热系数高的材料,称为导热材料。
    2,材料的厚度。在其他条件不变的情况下,热阻值与材料的厚度是正比关系。厚度越薄,热量传输的距离越短,热量传递的速度越快,热阻值当然就越小,导热效果也就越好。现在很多厂家都提供了同一材料在不同厚度的热阻参考值,使选择变的更简单。如下图1:
    导热硅胶垫厚度不同价格也不同,但是厚度并不是越厚越好,也不是越薄越好 (厚度太薄,拿取安装不方便),而是要根据自己产品的实际情况进行选择。
    3材料的硬度及柔软性。材料的硬度除与受压后的压缩比有关外,最主要的是在应用时与散热器或发热源之间的覆帖性。导热垫片表面柔软,硬度小,表面张力就小,就越容易浸润被贴面,与被贴面完全融合,无任何间隙的产生,大幅减少两者之间的接触热阻。备注:此时的接触热阻发生了变化,如下图2:
    其中,当 R0>>R1+R2+R3,导热垫片才有意义。


    导热硅胶片硬度越低产品越柔软,压缩率越高,适用于低应力环境使用。反之导热硅胶片硬度越高产品越坚硬,压缩率越低。热系数相同时,硬度低的产品相对于硬度高的产品,压缩率高,导热路径短,传热时间短,导热效果越好。


    4,材料的抗撕拉强度,适当的抗撕拉强度是保证材料在装配过程中不容易过度变形,或者因破损而产生缝隙。特别是厚度在1.0mm左右的导热垫片。有些厂家给部分产品的中间或表面增加了一层玻璃纤维或硅胶皮,这些都是为了提高了材料的抗撕裂性。虽然这样的结构加工简单,装配方便。但同时也会增加材料的自身热阻值,特别是表面覆合的形式会增加导热垫片表面硬度,使其覆贴性变差,浸润性丧失,进而增加接触热阻。
    5,材料的压缩比。压缩比一般指不同的压力下,材料厚度的变化,同样是一个重要的参数,很多材料厂商也有相关参数提供,为热设计人员在材料选择上提供了便利。可以依据产品固有间隙的大小,以及装配时的压力设置,更快的选择合适的厚度的导热材料。
    6,材料的压缩形变。压缩形变主要是指导热垫片被压缩后恢复到初始厚度的能力。影响其恢复能力的因素有分子之间的作用力(粘性)、网络结构的变化或破坏、分子间的位移等。当导热垫片的变形是由于分子链的伸张引起的,它的恢复(或者久变形的大小)主要由导热垫片的弹性所决定,如果它的变形还伴有网络的破坏和分子链的相对流动,这部分是不可恢复的,也就是导热垫片的压缩永久形变。
    导热垫片压缩永久变形的大小,除了与基材硅胶有关外,其它如导热粉体的结构与粒径、硫化体系、增塑剂、硫化时间等也有很大关系。压缩永久形变过大,导热垫片受压后回弹能力弱,或者经过长时间,高温下工作很难回到初始的厚度,在接触面就容易形成缝隙,产生热阻,影响导热效果。但这一参数目前很多厂商包括设计人员都容易忽略。



    7,材料的渗油率。较软的导热垫片其固化程度一般也较低,受热很容易发生硅油渗出,硅油迀移不仅会污染元器件,而且产品自身的硬度也会慢慢变大,原来的覆贴性与浸润性就会变差。同样,导致接触热阻会上升。目前,市场上普通导热垫片渗油率为2.5%~3.5%左右,较好的产品 能控制在2.0%~2.5%之间。
    8、耐电压值、防火等级等等。
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