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本文約 3130 字，需 6 分鐘閱讀 我們都知道，導(dǎo)熱硅脂作為TIM（Thermal Interface Material，導(dǎo)熱界面材料）主要是用來(lái)填充固體-固體之間的縫隙，增加接觸面積，降低界面熱阻，提高熱通量。 硅脂導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，有個(gè)很重要的指標(biāo)，在我們認(rèn)知范圍內(nèi)一直以來(lái)可能也是唯一的一個(gè)指標(biāo)，那就是導(dǎo)熱系數(shù)，它的單位為W/m.K，其定義也很簡(jiǎn)單，一個(gè)物質(zhì)內(nèi)兩個(gè)相距1米、面積為1平方米的平行平面，當(dāng)它們的溫度相差1K，在1秒內(nèi)從一個(gè)平面?zhèn)鲗?dǎo)至另一個(gè)平面的熱量就是該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越大，表明它的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。 導(dǎo)熱系數(shù)有個(gè)好處，它是材料的一個(gè)固有參數(shù)，除了隨溫度略有變化外，不隨厚度、面積等條件發(fā)生變化，方便簡(jiǎn)單，所以廣為使用，備受關(guān)注。 由于導(dǎo)熱系數(shù)很關(guān)鍵，再加上需要相關(guān)設(shè)備才能測(cè)試得到，一般用戶是無(wú)法驗(yàn)證真實(shí)性的，所以市面上各家硅脂標(biāo)注的這一指標(biāo)那是真真假假、虛虛實(shí)實(shí)，有些已經(jīng)到了無(wú)知無(wú)畏無(wú)下限的地步。
像這樣把導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)到15.6W/m.K，那是萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)沒(méi)想到，真懷疑是不是小數(shù)點(diǎn)標(biāo)錯(cuò)了？！目前市面上的硅脂主要是由信越和道康寧生產(chǎn)，它們提供的導(dǎo)熱系數(shù)高的也就在6-8W/m.K，其它各品牌的硅脂基本上是分裝貼牌的，所以市面上那些動(dòng)輒10+導(dǎo)熱系數(shù)的硅脂肯定是虛標(biāo)，關(guān)鍵是，這一現(xiàn)象目前太普遍了，使得這一重要指標(biāo)已經(jīng)慢慢失去了參考價(jià)值。 似乎跑題了，其實(shí)今天要講的并不是虛標(biāo)一事。 導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱能力反而弱了？如果單純從導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)區(qū)分硅脂間的性能，其實(shí)可以理論上推算一下： 熱傳導(dǎo)傅里葉定律：Q=K1*A*ΔT1/L = K2*A*ΔT2/L 這里Q為傳熱量，K1、K2為兩款硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)，ΔT1、ΔT2為它們上下表面的溫度差，A為傳熱面積，L為硅脂層厚度。 簡(jiǎn)單換算下 ΔT1=Q*L/A/K1 、 ΔT2=Q*L/A/K2 它們間的導(dǎo)熱性能差距就是 ΔT1 - ΔT2=（1/K1-1/K2)*Q*L/A 假設(shè)兩款硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)分別為6W/m.K（頂尖水平）和3.3W/m.K（普通水平），CPU的功耗為200W并且熱量全部傳至散熱器（下同），硅脂厚0.08mm（正常硅脂厚為0.07-0.1mm），傳熱面積為1060mm2(英特爾12代CPU的表面積)，那么它們對(duì)CPU的溫度影響差為： ΔT1-ΔT2=（1/6-1/3.3)*200*0.08/1060*1000=-2.1℃ 也就是說(shuō)，只看導(dǎo)熱系數(shù)的話，和普通硅脂相比，頂尖的硅脂（如信越7921）也只能讓CPU的溫度再低上2℃，理論上硅脂的影響并沒(méi)那么大。 當(dāng)然了，這是只看導(dǎo)熱系數(shù)的情況，實(shí)際上情況要更復(fù)雜一些。 在信越官網(wǎng)提供的一些它們的產(chǎn)品參數(shù)：
看看我們熟悉的7868和7921兩款硅脂，7868的導(dǎo)熱系數(shù)在溶劑揮發(fā)后達(dá)到了6.2W/m.K，比7921的6.0W/m.K更高，理論上7868的性能應(yīng)該更好。 在紅圈標(biāo)注的參數(shù)中，還有一項(xiàng)叫熱阻抗，在同樣厚度下，信越7868的熱阻抗是7.0mm2.K/W，而7921只有5.8mm2.K/W，這說(shuō)明了什么呢？ 這說(shuō)明，1mm2大小、25μm厚的硅脂層，當(dāng)傳輸1W熱量時(shí)，7868硅脂層上下表面的溫度差會(huì)達(dá)到7℃，而7921硅脂層的表面溫度差只有5.8℃。如果CPU功耗為200W，硅脂層面積為1060mm2，7868表面溫度差為7*200/1060=1.3℃，7921表面溫度差為5.8*200/1060=1.1℃。（為啥這么計(jì)算，后面會(huì)講到） 從熱阻抗來(lái)看7921的性能表現(xiàn)是稍優(yōu)于7868的，但7868的導(dǎo)熱系數(shù)不是更高應(yīng)該更好些嗎？??！ 其中最關(guān)鍵的問(wèn)題在于，書(shū)本上不是說(shuō)了導(dǎo)熱系數(shù)越高熱阻越低嗎，為什么導(dǎo)熱系數(shù)更高的7868，它的熱阻也高了呢？ 界面熱阻和接觸熱阻要理解這個(gè)問(wèn)題，先了解一下熱阻。 熱阻類似于電阻，它是熱量在傳遞時(shí)遇到的阻力，單位為K/W，表明1W熱量所引起的溫升大小。顯然熱阻越大，物體的導(dǎo)熱能力就越差，這和導(dǎo)熱系數(shù)正好相反。對(duì)于單一材料而言，熱阻R=L/(K*A），L為厚度，K為導(dǎo)熱系數(shù)，A為面積，當(dāng)厚度和面積一定時(shí)，該材料的熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)成反比。 熱阻的定義R=ΔT/Q，傅里葉定律Q=K*A*ΔT/L，所以 R=L/(K*A) 單位面積上的熱阻稱為熱阻抗，常用單位mm2.K/W，其它面積單位可換算。 在多個(gè)材料組成的系統(tǒng)中，熱量流經(jīng)不同材料之間的界面時(shí)會(huì)受到阻礙，這一阻力就是界面熱阻，界面熱阻定義為界面處的溫差與流過(guò)該界面的熱量之比。
如上圖所示，在CPU與散熱器之間填充著硅脂，CPU頂蓋(IHS)表面的溫度為T1、散熱器底座表面溫度為T2，從CPU表面流向散熱器底座的熱量為Q，那么界面熱阻=(T1-T2)/Q，其實(shí)這也是熱阻的定義。 當(dāng)熱流穿過(guò)界面（固體-固體/液體）時(shí)，在不同材料的交界面上（如CPU表面-硅脂、硅脂-散熱器底座的接觸面），通常會(huì)認(rèn)為接觸面兩側(cè)的溫度是相同的，實(shí)際上接觸面兩個(gè)表面上的溫度是不相同的，也就是說(shuō)存在著溫度降，這說(shuō)明不同材料的接觸界面，存在著熱流阻力，這個(gè)阻力就是接觸熱阻。 所以，從CPU到散熱器的界面熱阻，其實(shí)是三部分組成的，從CPU IHS表面到硅脂層下表面的接觸熱阻，硅脂層自身存在的熱阻，從硅脂層上表面到散熱器底座表面的接觸熱阻，即： 界面熱阻 Rimp = 硅脂熱阻 + 接觸熱阻下 + 接觸熱阻上 = L/(K*A) + Rcon Rcon 為上下表面的接觸熱阻之和 看到這兒，大概應(yīng)該能明白，硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)只能決定硅脂熱阻部分的大小，但整個(gè)界面熱阻還與硅脂層上下表面的接觸熱阻有關(guān)，信越提供的熱阻抗數(shù)值也正是指的界面熱阻抗，而非單指硅脂的熱阻抗。這也是為什么導(dǎo)熱系數(shù)相同的硅脂，但它們的熱阻不一樣的原因。 對(duì)于硅脂而言，接觸熱阻與外力、基板材料表面粗糙度、硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)和潤(rùn)濕性能有關(guān)，與厚度無(wú)關(guān)，面對(duì)相同基板材料及相同厚度、面積時(shí)，接觸熱阻是固定的。 單位面積上的界面熱阻也就是界面熱阻抗（硅脂常用單位mm2.K/W），從上面的公式可以看出，界面熱阻抗=L/K+接觸熱阻抗，對(duì)于同一硅脂和基體材料，界面熱阻和硅脂的厚度成線性關(guān)系。 信越提供了一份界面熱阻抗與硅脂厚度的關(guān)系圖表，可以分析一下：
直線斜率相同的表示它們的導(dǎo)熱系數(shù)相同（畢竟斜率的倒數(shù)就等于導(dǎo)熱系數(shù)，斜率=dy/dx），就看7762、7868和7921這三款，它們的斜率基本一樣，實(shí)際上導(dǎo)熱系數(shù)分別為6.0、6.2、6.0，基本一樣，但是相同厚度下的熱阻抗卻是不同的，當(dāng)硅脂厚度L為0時(shí)，界面熱阻抗=接觸熱阻抗，也就是直線與Y軸的交點(diǎn)即為相應(yīng)硅脂接觸熱阻抗的大小。 目前業(yè)界測(cè)試硅脂熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)的主要方法之一ASTM D5470試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)就是基于這樣的原理的。 7921和7868硅脂在25μm厚時(shí)，界面熱阻抗分別為5.8mm2.K/W和7.0mm2.K/W，理論也可以計(jì)算出它們?cè)谠撛囼?yàn)條件下的接觸熱阻抗，7921的接觸熱阻抗=界面熱阻抗 - L/K = 5.8-25/6=1.63mm2.K/W，7868的接觸熱阻抗=7-25/6.2=2.97mm2.K/W，7868的接觸熱阻抗比7921明顯要高多了。 前面計(jì)算過(guò)只看導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，對(duì)于200W功耗的CPU，6W/m.K的硅脂比3.3W/m.K的能讓CPU更低2.1℃，咱們帶上接觸熱阻再算算，以信越7921和信越G-777為例，G-777的導(dǎo)熱系數(shù)正好為3.3W/m.K，在56μm厚時(shí)，它的界面熱阻抗為21mm2.K/W，則其接觸熱阻抗=21-56/3.3=4.03mm2.K/W，其它計(jì)算如下： 假設(shè)CPU功耗為200W，硅脂厚度為0.08mm，面積為1060mm2，那7921和G-777作用下的CPU溫度差有多少呢？ 由于界面熱阻抗=(T1-T2)*A/Q，所以同一硅脂表面的溫度差=Q*界面熱阻抗/A=Q*(接觸熱阻抗+L/K)/A，所以： 7921的表面溫度差 = 200*(1.63+80/6.0)/1060=2.8℃ G-777的表面溫度差 = 200*(4.03+80/3.3)/1060=5.8℃ 也就是說(shuō)，7921對(duì)比G-777，能讓CPU再低3℃，算上接觸熱阻比只計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)更明顯 (●'?'●) 硅脂的導(dǎo)熱能力，更取決于其熱阻大小簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，硅脂的導(dǎo)熱性能取決于它在實(shí)際操作條件下的界面熱阻，界面熱阻包含有硅脂本身存在的熱阻，這部分與硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)及硅脂層面積成反比，與硅脂層厚度成正比；另外還有硅脂與兩個(gè)基體材料間的接觸熱阻，這部分取決于固體材料的粗糙度、硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)、潤(rùn)濕性能、外部壓力等。只有當(dāng)硅脂比較厚時(shí)，接觸熱阻才可以忽略，但是作為一個(gè)小容差的TIM材料，硅脂的厚度通常都是μm級(jí)別，所以接觸熱阻的影響是存在的。 也就是說(shuō)，硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)很重要（請(qǐng)?jiān)彉?biāo)題黨），但它并不能完全決定該硅脂性能的好壞，熱阻（界面熱阻）能更準(zhǔn)確的反應(yīng)出該硅脂的導(dǎo)熱能力強(qiáng)弱，界面熱阻越小，導(dǎo)熱能力越大。 可惜目前能準(zhǔn)確提供熱阻的硅脂比能準(zhǔn)確提供導(dǎo)熱系數(shù)的更顯鳳毛麟角，但辦法總是有的，有興趣的同學(xué)可以關(guān)注我們的后續(xù)相關(guān)內(nèi)容。 |
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