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最全的大功率直流电源散热和导热知识

一、导热系数简介
导热系数(W/mK)热传导系数的界说为:每单位长度、每K,每小时可以传送多少W的能量,单位为W/mK。其中“W”指热功率单位,“m”代表长度单位米,而“K”为绝对温度单位。该数值越大阐明导热功能越好。
二、 常见资料的导热系数

材质

温度,℃

导热系数λ,W/m·K

300

230

100

377

熟铁

18

61

100

317

100

412

钢(1%C)

18

45

青铜


189

不锈钢

20

16

钻石

0

2300

AL2O3


35

石墨

0

151

棉毛

30

0.050

玻璃

30

1.09

水泥

30

1.5

PVC 


0.14~0.15

PP 


0.21~0.26

PE


0.42

环氧树脂


0.19

FR-4


0.11

ABS

--

0.25

酒精(乙醇)

80%

20

0.24

水银


28

8.36

变压器油



0.128

绿油(阻焊剂)



1~1.2


30

0.62

空气

0

0.024

水蒸汽

100

0.02

导热系数是经过实验测验出来的,导热系数与资料的组成、结构、密度、含水率、温度等要素有关。非晶体结构、密度较低的资料,导热系数较小。资料的含水率低、温度较低时,导热系数较小。一般金属资料要大于非金属资料,导体大于绝缘体,源于导热是依托电子的运动,而固体的热导率比液体的大,而液体的又要比气体的大,这种差异很大程度上是由于这两种情况分子距离不同所导致的。钻石是个很特殊的破例,由于结构特殊性以及其纯度相当的高,其导热系数远远高于常见的金属。
一般把导热系数较低的资料称为保温资料(我国国家标准规则,凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的资料称为保温资料),而把导热系数在0.05 W/(m.K)以下的资料称为高效保温资料。从上表可以看出,最好的导热金属资料是银,其次是铜、铝,由于价格的原因,选用铜/铝的大功率直流电源散热片比较多。而空气是十分好的保温资料,因而家内装修如果是双层玻璃会比较保温;墙内夹层也会选用石棉或许PP作为保温资料,与其导热系数很低不无联系。

三、大功率直流电源怎么散热
首要介绍名词——热阻。
热阻,导热阻抗,面积/(长度*导热系数),单位-K.㎡/w,与长度成正比,与导热系数和面积成反比。热阻越大,热传导才能就越差,相反,热阻越小,热量就越简单传导。导热系数是比例参数,而热阻是实践的大功率直流电源散热作用。因而导热系数越高则热传导才能越好,可是如果大功率直流电源散热途径变长,则热阻添加,反而会下降大功率直流电源散热作用,所以大功率直流电源散热,应该归纳考虑导热系数和热阻。
大功率直流电源怎么散热,说起来我们可能都会讲出来许多手法,可是细究起来,可能许多概念是过错的,或许不完善的,甚至有可能会带入误区。
比方以下几个说法:
1、导热硅脂导热好
2、导热硅胶越多越好
3、硅胶垫片比导热硅脂好
4、空气会影响大功率直流电源散热
5、金属大功率直流电源散热片大功率直流电源散热好
6、大功率直流电源散热片发黑比原色大功率直流电源散热好
7、铜箔钻孔可以添加大功率直流电源散热
8、铜箔去绿油可以添加大功率直流电源散热
那么这些说法对么?
首要简介一下常用的电子资料的导热系数?
名称
导热系数λ,W/m·K
G6硅胶
0.6
百合花导热硅胶
>0.8
环氧胶
0.12~0.4
高导热环氧胶
1
绝缘垫(硅胶垫片)
1.5~4.4
导热硅脂
0.3~0.8
高导热硅脂
1.4~4
那么我们细细说一下上面这些说法究竟对不对仍是有条件的正确。
1、导热硅脂(胶)/硅胶片
尽管姓名叫做导热硅脂,实践上从其导热系数上可以看出,导热才能很差很差,那么为什么叫做导热硅脂?为什么会有“导热”的名头?
导热硅脂就是在硅脂的基础上添加了金属氧化物增强导热才能,纯粹的硅胶大约0.3左右的导热系数,为了增强导热才能而添加以下几种粉末:氧化铝粉末、炭化硅粉末、氧化锌粉末、氮化硼粉末等;如果关于绝缘功能要求较低,可以添加石墨或许锡等柔性金属添加导热才能(Intel原装灰色导热硅脂就是添加石墨)。
可是导热硅脂其导热系数仍是不高,一般导热硅脂比不上水泥的导热系数1.5,那么为什么用导热硅脂不必水泥?
原因就在于,导热硅脂/硅胶导热系数“远”比空气好,空气是一个很欠好的保温资料,当MOS与大功率直流电源散热片之间触摸的时分,由于触摸面之间不够润滑,存在空气空隙,会导致热量不能及时传递到大功率直流电源散热片而使MOS温度剧增,终究烧坏。而导热硅脂/硅胶片是柔性的,可以很好的进入空隙中,将空气挤出,使得热量可以比较好的传递。
相同面积,0.1mm厚的空气与1mm厚的导热硅脂,哪个热阻小?
相同面积,0.1mm厚的导热硅脂与1mm厚的导热硅胶,哪个热阻小?
有人会说这个问题很搞笑,可是我们生产过程中会呈现的情况,硅胶片是有厚度的,相同面积,同原料0.1mm的硅胶片热阻就要远小于1mm的硅胶片,而运用导热硅脂的话,由于大功率直流电源散热片和MOS的金属部分会直触摸摸,空隙更小,大功率直流电源散热也就更好,可是总有人会挑选厚的硅胶片,总会有人会堆积导热硅胶。比方LED球灯,铝外壳内部塞一个驱动板,然后悉数灌封导热硅胶,其实关于驱动板的大功率直流电源散热作用很不抱负。
所以,硅脂硅胶硅胶片,均不是用来大功率直流电源散热,而仅仅辅佐大功率直流电源散热,规划时应该考虑怎么让功率器材更好的触摸大功率直流电源散热片。硅脂能让金属部分直触摸摸,是首选;其次就是薄的绝缘垫或许薄的导热硅胶;不管运用哪种原料,拼装过程中将MOS和大功率直流电源散热片之间尽可能压接严密是有必要的,而导热硅胶堆积、拼装结构松散等会对大功率直流电源散热带来丧命的缺点。当然,许多人是被“导热”的姓名给误导了。
2、空气
空气导热系数很低,但不必定会影响大功率直流电源散热。空气的存在假若是在高温器材与大功率直流电源散热片之间,那么必定会影响大功率直流电源散热,例如双层玻璃用来保温。可是冬季室外,可以说空气厚度无限厚,为什么会觉得冷?为什么冬季穿衣服要抗风?为什么都说刺骨的冬风?
这就是由于空气分为静态和动态,动态时分就是“风”,可以很好的大功率直流电源散热。总归,必要要记住的是:一切的大功率直流电源散热体系终究都会大功率直流电源散热到空气中!因而,怎么在终究与空气触摸时可以更快的将热量传递出去是大功率直流电源散热体系规划的重中之重,而构成合理的风道是必要的手法。
像品牌电脑都会规划比较合理的风道以到达抱负的大功率直流电源散热作用,如果不能使空气活动,往往会电扇空转而温度散不出去,那么这个体系就是失利的,无法获得很好的大功率直流电源散热作用。这是规划问题,不是空气问题。
如果没有空气对流,全金属外壳并不比塑料外壳大功率直流电源散热作用好许多,例如手机。由于CPU热量发出到机壳上大功率直流电源散热出去,中心会有一层空气空隙,是热阻的首要来源,相比较而言机壳的原料影响就小许多。可是,只需加了一个小小的电扇,温度就可以大幅度下降,仅仅手机结构约束无法运用。
关于功率部分大功率直流电源散热规划合理的体系,那么其他发热较低的当地,例如操控中心等暴露在空气中与密封在密封胶里边,其实热阻差距并不大,也不过是几倍的联系。因而密封胶的挑选应首要考虑运用环境关于胶的防水、轰动等要求,而不是导热系数。
3、大功率直流电源散热片
金属导热系数高,可是不代表其大功率直流电源散热必定就好。
就算同样是金属,同一种金属,一个做成金属块,一个做成金属栅,相同体积的时分,后者大功率直流电源散热作用就好。由于终究大功率直流电源散热前言就是空气,与空气触摸面积越大就会大功率直流电源散热越好,所以现在的CPU大功率直流电源散热片,越是高端的,越是做的薄,做的栅多。
众所周知,小米2手机中添加了一种导热利器——石墨大功率直流电源散热膜,引发了潮流,我们争相效法。导热系数石墨大功率直流电源散热膜可以做到1500,现已超出金属许多。
可是石墨大功率直流电源散热膜又给我们挖了个坑,“大功率直流电源散热膜”并不是起到大功率直流电源散热作用,而是导热,由于其并没有增大与空气触摸面积,其真实的作用是将手机内部发热元件的热量进行均衡。我们都知道手机芯片上都会贴上金属屏蔽罩,同时起大功率直流电源散热作用,而有的发热大,有的发热小,如果依托空气的传导作用很差,就会使一些部位温度急剧上升,而石墨大功率直流电源散热膜作用就是将温度高的大功率直流电源散热片热量快速传递到温度低的大功率直流电源散热片上,使手持设备不会呈现部分高温。
单纯运用金属条件下,大功率直流电源散热最好的应该是热管+大功率直流电源散热片。热管的发生实践上是热对流理论老练的体现,热管中的冷凝气在发热端和冷凝端来回循环,依托气液相之间的改变快速循环,使热量快速传导发出出去,其导热功率远远高于一般的金属。当然成本也添加不少。这在高端的LED产品中可以考虑。
如果大功率直流电源散热片没有加电扇就是被迫大功率直流电源散热,依托温差发生的热对流将热量发出到空气中,而加上电扇可以实现较好的风道,是自动大功率直流电源散热,作用会显着优于被迫大功率直流电源散热。还有一种特殊的规划,就是射流器(Synjet),其办法就是将空气压缩后高速喷出,直接将芯片的热量带走,这必定是LED等大功率直流电源散热今后的发展趋势。
4、发黑的大功率直流电源散热片
常见发黑只有铁和铝,由于铁发黑(正确叫法:发蓝)生成四氧化三铁,铝阳极氧化后是三氧化二铝(刚玉,蓝宝石首要成分),染色后得到发黑作用(阳极氧化电解上色)。一起的特色就是:细密、耐磨、抗腐蚀。而铜氧化后的氧化铜,疏松,极易吸收水分而敏捷腐蚀,所以铜大功率直流电源散热片发黑反而会是不良。
实践物体在单位时间内发出的辐射热流量可以选用Stefan - Boltzmann(史蒂芬-玻耳兹曼规律)规律核算,如果我们有爱好,可以查找一下,有工程师做过测验,发黑后其发射率可以添加3~5倍,具体数据由于未经答应所以不能引用。
可以见得,氧化后的氧化物可以必定程度上加大其热辐射作用,也就是说大功率直流电源散热片发黑可以必定程度上下降大功率直流电源散热片温度。与此同时,发黑层厚度一般小于15um,热阻十分小,关于大功率直流电源散热影响并不大。
可是,基本上罕见CPU的大功率直流电源散热片是发黑的,为什么?由于温度!在100度以下的时分,热辐射的量很小,又处于一个关闭环境,热辐射实践上是没有作用的。而风路规划合理的时分,热对流和热传导其下降温度的功率远远高出热辐射的功率,因而,如果有必要运用发黑处理来下降温度,必定程度上阐明大功率直流电源散热体系冗余缺乏。
5、铜箔钻孔/铜箔去绿油
其实前面说了许多,这个问题如果我们仔细阅读前面的内容时分就应该有了答案。
有人以为去除绿油,可以使铜箔与空气直触摸摸,大功率直流电源散热会好一些。可是实践上并不是如此。绿油,是阻焊层的俗称,一般为10um,热阻十分小,并不影响多少大功率直流电源散热,存不存在作用差不多。去除绿油更多的应该是经过添加焊锡而添加过电流才能。
钻孔同样不能添加与空气触摸的面积,可是钻孔会使上下两层铜箔之间的热量传递更快,由于PCB中心的原料FR-4导热作用并欠好,0.1左右,任何一种金属的作用都要超出其导热作用,因而钻孔可以有用的使背面铜箔可以快速升温,也直接的改进了大功率直流电源散热作用。可是终究作用取决于两面用于大功率直流电源散热铜箔的总面积,而不是钻了多少孔、多大的孔。

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