導(dǎo)熱系數(shù)在電子設(shè)備中起到什么作用

導(dǎo)熱系數(shù)：衡量材料傳熱能力的指標(biāo)。給定材料兩側(cè)的兩個(gè)表面，它們之間存在溫差，熱導(dǎo)率是每單位時(shí)間和每單位表面積傳遞的熱能除以溫度差 。

導(dǎo)熱性是一種散裝特性，描述了材料傳熱的能力。在圖1的等式中，熱傳導(dǎo)率是比例因子K.傳熱距離定義為通過材料（Q）傳遞的熱量，從溫度T1到溫度T2，當(dāng)T1> T2 2 .

圖1：從熱（T1）表面到冷（T2）表面的傳導(dǎo)傳熱過程。

材料的導(dǎo)熱性在電子設(shè)備的冷卻中起著重要作用;從產(chǎn)生熱量的模具到容納電子器件的機(jī)柜，傳導(dǎo)熱傳遞以及隨后的熱傳導(dǎo)是整個(gè)熱管理過程中不可或缺的組成部分。

熱量來自模具對外部環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的過程，在設(shè)計(jì)熱解決方案時(shí)必須要了解。過去，許多設(shè)備無需像散熱器那樣需要外部冷卻設(shè)備即可運(yùn)行。在這些器件中，由于主要傳熱路徑進(jìn)入PCB，因此需要優(yōu)化從芯片到電路板的導(dǎo)通電阻。隨著功率水平的增加，僅僅向板內(nèi)的熱傳遞變得不充分。現(xiàn)在，大部分熱量通過部件的頂部表面直接散發(fā)到環(huán)境中。在這些新型高功率器件中，低結(jié)殼電阻非常重要，附加散熱器的設(shè)計(jì)也很重要。

確定材料導(dǎo)熱在特定熱管理應(yīng)用中的重要性（例如散熱片），重要的是將與傳導(dǎo)傳熱相關(guān)的整體熱阻分為三個(gè)部分：界面，擴(kuò)散和傳導(dǎo)電阻。

接口材料
界面材料增強(qiáng)了熱接觸不完美的配合面。具有良好表面潤濕能力的高導(dǎo)熱材料將降低界面電阻。

擴(kuò)散電阻
擴(kuò)散電阻用于描述與較大散熱器耦合的小熱源相關(guān)的熱阻。除其他因素外，散熱器底座的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響擴(kuò)散阻力。

導(dǎo)電電阻
導(dǎo)電電阻是散熱器內(nèi)部熱阻的量度，因?yàn)闊崃繌幕鶄鞯仅捚⒙涞江h(huán)境中。關(guān)于散熱器設(shè)計(jì)，傳導(dǎo)阻力在自然對流和低氣流條件下不太重要，隨著流速的增加變得越來越重要。

導(dǎo)熱系數(shù)的常用單位為W/mK和Btu/hr-ft - °F。

材料體積電導(dǎo)率（W/mk）銀，純418.0銅11000 388.0鋁6061 T6 167.0鋅，純112.2鐵，鑄造55.0焊料，60％錫50.0鈦15.6熱油脂，T660 0.90玻璃纖維0.040 Air，stp 0.025

在電子行業(yè)中，不斷推動(dòng)更小尺寸和更快速度，大大減少了許多部件的規(guī)模。由于這種轉(zhuǎn)變現(xiàn)在從宏觀尺度繼續(xù)到微尺度，因此重要的是要考慮對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，而不是假設(shè)整體特性仍然準(zhǔn)確?；谶B續(xù)體的傅立葉方程不能預(yù)測這些較小尺度的熱特性。需要更完整的方法，如玻爾茲曼輸運(yùn)方程和格子Boltzmann方法 3 。

厚度對電導(dǎo)率的影響見圖2。是硅，廣泛用于電子產(chǎn)品。

圖2：硅薄膜的熱導(dǎo)率 3

與許多物理性質(zhì)一樣，導(dǎo)熱系數(shù)可以是各向異性取決于材料（取決于方向）。結(jié)晶和石墨是這種材料的兩個(gè)例子。石墨已被用于電子工業(yè)，其高面內(nèi)導(dǎo)電性是有價(jià)值的。石墨晶體具有非常高的面內(nèi)電導(dǎo)率（~2000 W/mK），這是由于它們的基面上具有強(qiáng)的碳 - 碳鍵合。然而，平行的基面彼此弱結(jié)合，垂直于這些平面的熱導(dǎo)率非常低（~10 W/mK） 4 。

導(dǎo)熱系數(shù)是不僅受厚度和方向變化的影響;溫度也會(huì)對整體幅度產(chǎn)生影響。由于材料溫度升高，內(nèi)部顆粒速度增加，導(dǎo)熱性也增加。這種增加的速度以較小的阻力傳遞熱量。 Wiedemann-Franz定律通過將熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率與溫度相關(guān)聯(lián)來描述這種行為。值得注意的是，溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響是非線性的，如果沒有事先的研究，很難預(yù)測。下圖顯示了在很寬的溫度范圍內(nèi)導(dǎo)熱率的行為。這些材料（氮化鋁和硅）都廣泛用于電子產(chǎn)品中（分別見圖3和圖4）。

圖3：導(dǎo)熱系數(shù)氮化鋁作為溫度的函數(shù)。

圖4：硅的熱導(dǎo)率隨溫度的變化 5 。

未來，具有多個(gè)內(nèi)核的更高功率處理器將進(jìn)一步推動(dòng)對提高導(dǎo)熱性的需求。因此，值得研究在電子封裝中使用的現(xiàn)有材料的導(dǎo)熱性增強(qiáng)的其他研究和開發(fā)領(lǐng)域。一個(gè)這樣的領(lǐng)域是納米技術(shù)對導(dǎo)熱性的影響，其中碳納米管由于大的聲子平均自由路徑 7 而顯示出接近金剛石的導(dǎo)電率值。隨著器件功耗的穩(wěn)步上升，新材料的開發(fā)和現(xiàn)有材料的增強(qiáng)將帶來更有效的熱管理。