導熱系數簡介

　　導熱系數(W/mK)熱傳導系數的定義為：每單位長度、每K，每小時可以傳送多少W的能量，單位為W/mK。其中“W”指熱功率單位，“m”代表長度單位米，而“K”為絕對溫度單位。該數值越大說明導熱性能越好。

　　導熱系數是通過實驗測試出來的，導熱系數與材料的組成、結構、密度、含水率、溫度等因素有關。非晶體結構、密度較低的材料，導熱系數較小。材料的含水率低、溫度較低時，導熱系數較小。通常金屬材料要大于非金屬材料，導體大于絕緣體，源于導熱是依靠電子的運動，而固體的熱導率比液體的大，而液體的又要比氣體的大，這種差異很大程度上是由于這兩種狀態分子間距不同所導致的。鉆石是個很特殊的例外，由于結構特殊性以及其純度相當的高，其導熱系數遠遠高于常見的金屬。

　　通常把導熱系數較低的材料稱為保溫材料(我國國家標準規定，凡平均溫度不高于350℃時導熱系數不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料)，而把導熱系數在0.05 W/(m.K)以下的材料稱為高效保溫材料。從上表可以看出，最好的導熱金屬材料是銀，其次是銅、鋁，由于價格的原因，采用銅/鋁的散熱片比較多。而空氣是非常好的保溫材料，因此家內裝修如果是雙層玻璃會比較保溫;墻內夾層也會采用石棉或者PP作為保溫材料，與其導熱系數很低不無關系。

　　如何散熱

　　首先介紹名詞——熱阻。

　　熱阻，導熱阻抗，面積/(長度*導熱系數)，單位-K.㎡/w，與長度成正比，與導熱系數和面積成反比。熱阻越大，熱傳導能力就越差，相反，熱阻越小，熱量就越容易傳導。導熱系數是比例參數，而熱阻是實際的散熱效果。因此導熱系數越高則熱傳導能力越好，但是如果散熱路徑變長，則熱阻增加，反而會降低散熱效果，所以散熱，應該綜合考慮導熱系數和熱阻。

　　如何散熱，說起來大家可能都會講出來很多手段，但是細究起來，可能很多概念是錯誤的，或者不完善的，甚至有可能會帶入誤區。

　　比如以下幾個說法：

　　1、導熱硅脂導熱好

　　2、導熱硅膠越多越好

　　3、硅膠墊片比導熱硅脂好

　　4、空氣會影響散熱

　　5、金屬散熱片散熱好

　　6、散熱片發黑比原色散熱好

　　7、銅箔鉆孔可以增加散熱

　　8、銅箔去綠油可以增加散熱

　　那么這些說法對么?

　　那么我們細細說一下上面這些說法到底對不對還是有條件的正確。

　　1、導熱硅脂(膠)/硅膠片

　　導熱硅脂就是在硅脂的基礎上添加了金屬氧化物增強導熱能力，純正的硅膠大約0.3左右的導熱系數，為了增強導熱能力而添加以下幾種粉末：氧化鋁粉末、炭化硅粉末、氧化鋅粉末、氮化硼粉末等;如果對于絕緣性能要求較低，可以添加石墨或者錫等柔性金屬增加導熱能力(Intel原裝灰色導熱硅脂就是添加石墨)。

　　但是導熱硅脂其導熱系數還是不高，普通導熱硅脂比不上水泥的導熱系數1.5，那么為什么用導熱硅脂不用水泥?

　　原因就在于，導熱硅脂/硅膠導熱系數“遠”比空氣好，空氣是一個很不好的保溫材料，當MOS與散熱片之間接觸的時候，由于接觸面之間不夠光滑，存在空氣間隙，會導致熱量不能及時傳遞到散熱片而使MOS溫度劇增，最終燒壞。而導熱硅脂/硅膠片是柔性的，可以很好的滲入間隙中，將空氣擠出，使得熱量能夠比較好的傳遞。

　　相同面積，0.1mm厚的空氣與1mm厚的導熱硅脂，哪個熱阻小?

　　相同面積，0.1mm厚的導熱硅脂與1mm厚的導熱硅膠，哪個熱阻小?

　　有人會說這個問題很搞笑，但是我們生產過程中會出現的狀況，硅膠片是有厚度的，相同面積，同材質0.1mm的硅膠片熱阻就要遠小于1mm的硅膠片，而使用導熱硅脂的話，由于散熱片和MOS的金屬部分會直接接觸，間隙更小，散熱也就更好，可是總有人會選擇厚的硅膠片，總會有人會堆積導熱硅膠。比如LED球燈，鋁外殼內部塞一個驅動板，然后全部灌封導熱硅膠，其實對于驅動板的散熱效果很不理想。

　　所以，硅脂硅膠硅膠片，均不是用來散熱，而只是輔助散熱，設計時應該考慮如何讓功率器件更好的接觸散熱片。硅脂能讓金屬部分直接接觸，是首選;其次就是薄的絕緣墊或者薄的導熱硅膠;無論使用哪種材質，組裝過程中將MOS和散熱片之間盡可能壓接緊密是必須的，而導熱硅膠堆積、組裝結構松散等會對散熱帶來致命的缺陷。當然，很多人是被“導熱”的名字給誤導了。

　　2、空氣

　　空氣導熱系數很低，但不一定會影響散熱。空氣的存在假若是在高溫器件與散熱片之間，那么必然會影響散熱，例如雙層玻璃用來保溫。但是冬天室外，可以說空氣厚度無限厚，為什么會覺得冷?為什么冬天穿衣服要抗風?為什么都說刺骨的北風?

　　這就是因為空氣分為靜態和動態，動態時候就是“風”，可以很好的散熱?？傊?，必要要記住的是：所有的散熱系統最終都會散熱到空氣中!因此，如何在最后與空氣接觸時能夠更快的將熱量傳遞出去是散熱系統設計的重中之重，而形成合理的風道是必要的手段。

　　像品牌電腦都會設計比較合理的風道以達到理想的散熱效果，如果不能使空氣流動，往往會風扇空轉而溫度散不出去，那么這個系統就是失敗的，無法取得很好的散熱效果。這是設計問題，不是空氣問題。

　　如果沒有空氣對流，全金屬外殼并不比塑料外殼散熱效果好很多，例如手機。因為CPU熱量發出到機殼上散熱出去，中間會有一層空氣間隙，是熱阻的主要來源，相比較而言機殼的材質影響就小很多。但是，只要加了一個小小的風扇，溫度就可以大幅度下降，只是手機結構限制無法使用。

　　對于功率部分散熱設計合理的系統，那么其余發熱較低的地方，例如控制核心等暴露在空氣中與密封在密封膠里面，其實熱阻差距并不大，也不過是幾倍的關系。因此密封膠的選擇應首先考慮使用環境對于膠的防水、震動等要求，而不是導熱系數。

　　3、散熱片

　　金屬導熱系數高，但是不代表其散熱一定就好。

　　就算同樣是金屬，同一種金屬，一個做成金屬塊，一個做成金屬柵，相同體積的時候，后者散熱效果就好。因為最終散熱媒介就是空氣，與空氣接觸面積越大就會散熱越好，所以現在的CPU散熱片，越是高端的，越是做的薄，做的柵多。

　　眾所周知，小米2手機中增加了一種導熱利器——石墨散熱膜，引發了潮流，大家爭相仿效。導熱系數石墨散熱膜可以做到1500，已經超出金屬很多。

　　但是石墨散熱膜又給大家挖了個坑，“散熱膜”并不是起到散熱作用，而是導熱，因為其并沒有增大與空氣接觸面積，其真正的作用是將手機內部發熱元件的熱量進行均衡。大家都知道手機芯片上都會貼上金屬屏蔽罩，同時起散熱作用，而有的發熱大，有的發熱小，如果依靠空氣的傳導效果很差，就會使一些部位溫度急劇上升，而石墨散熱膜作用就是將溫度高的散熱片熱量快速傳遞到溫度低的散熱片上，使手持設備不會出現局部高溫。

　　單純使用金屬條件下，散熱最好的應該是熱管+散熱片。熱管的產生實際上是熱對流理論成熟的表現，熱管中的冷凝氣在發熱端和冷凝端來回循環，依靠氣液相之間的變化快速循環，使熱量快速傳導散發出去，其導熱效率遠遠高于普通的金屬。當然成本也增加不少。這在高端的LED產品中可以考慮。

　　如果散熱片沒有加風扇就是被動散熱，依靠溫差產生的熱對流將熱量散發到空氣中，而加上風扇能夠實現較好的風道，是主動散熱，效果會明顯優于被動散熱。還有一種特殊的設計，就是射流器(Synjet)，其方法就是將空氣壓縮后高速噴出，直接將芯片的熱量帶走，這必然是LED等散熱以后的發展趨勢。

　　4、發黑的散熱片

　　常見發黑只有鐵和鋁，因為鐵發黑(正確叫法：發藍)生成四氧化三鐵，鋁陽極氧化后是三氧化二鋁(剛玉，藍寶石主要成分)，染色后得到發黑效果(陽極氧化電解著色)。共同的特點就是：致密、耐磨、抗腐蝕。而銅氧化后的氧化銅，疏松，極易吸收水分而迅速腐蝕，所以銅散熱片發黑反而會是不良。

　　實際物體在單位時間內發出的輻射熱流量可以采用Stefan - Boltzmann(史蒂芬-玻耳茲曼定律)定律計算，如果大家有興趣，可以搜索一下，有工程師做過測試，發黑后其發射率可以增加3~5倍，具體數據因為未經允許所以不能引用。

　　可以見得，氧化后的氧化物可以一定程度上加大其熱輻射效果，也就是說散熱片發黑可以一定程度上降低散熱片溫度。與此同時，發黑層厚度一般小于15um，熱阻非常小，對于散熱影響并不大。

　　但是，基本上少見CPU的散熱片是發黑的，為什么?因為溫度!在100度以下的時候，熱輻射的量很小，又處于一個封閉環境，熱輻射實際上是沒有效果的。而風路設計合理的時候，熱對流和熱傳導其降低溫度的效率遠遠高出熱輻射的效率，因此，如果必須使用發黑處理來降低溫度，一定程度上說明散熱系統冗余不足。

　　5、銅箔鉆孔/銅箔去綠油

　　其實前面說了很多，這個問題如果大家仔細閱讀前面的內容時候就應該有了答案。

　　有人認為去除綠油，可以使銅箔與空氣直接接觸，散熱會好一些。但是實際上并不是如此。綠油，是阻焊層的俗稱，通常為10um，熱阻非常小，并不影響多少散熱，存不存在效果差不多。去除綠油更多的應該是通過增加焊錫而增加過電流能力。

　　鉆孔同樣不能增加與空氣接觸的面積，但是鉆孔會使上下兩層銅箔之間的熱量傳遞更快，因為PCB中間的材質FR-4導熱效果并不好，0.1左右，任何一種金屬的效果都要超出其導熱效果，因此鉆孔可以有效的使背面銅箔能夠快速升溫，也間接的改善了散熱效果。但是最終效果取決于兩面用于散熱銅箔的總面積，而不是鉆了多少孔、多大的孔。