导热与散热知识

一、导热系数简介

导热系数（W/mK)热传导系数的定义为：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。该数值越大说明导热性能越好。

二、常见材料的导热系数

材质温度，℃导热系数λ，W/m·K

铝300 230

铜100 377

熟铁18 61

金100 317

银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

水30 0.62

空气0 0.024

水蒸汽100 0.025

导热系数是通过实验测试出来的，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。材料的含水率低、温度较低时，导热系数较小。通常金属材料要大于非金属材料，导体大于绝缘体，源于导热是依靠电子的运动，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状态分子间距不同所导致的。钻石是个很特殊的例外，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。

通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料），而把导热系数在0.05 W/(m.K)以下的材料称为高效保温材料。从上表可以看出，最好的导热金属材料是银，其次是铜、铝，由于价格的原因，采用铜/铝的散热片比较多。而空气是非常好的保温材料，因此家内装修如果是双层玻璃会比较保温；墙内夹层也会采用石棉或者PP作为保温材料，与其导热系数很低不无关系。

三、如何散热

首先介绍名词——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，热传导能力就越差，相反，热阻越小，热量就越容易传导。导热系数是比例参数，而热阻是实际的散热效果。因此导热系数越高则热传导能力越好，但是如果散热路径变长，则热阻增加，反而会降低散热效果，所以散热，应该综合考虑导热系数和热阻。

如何散热，说起来大家可能都会讲出来很多手段，但是细究起来，可能很多概念是错误的，或者不完善的，甚至有可能会带入误区。

比如以下几个说法：

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、空气会影响散热

5、金属散热片散热好

6、散热片发黑比原色散热好

7、铜箔钻孔可以增加散热

8、铜箔去绿油可以增加散热

那么这些说法对么？

首先简介一下常用的电子材料的导热系数？

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到底对不对还是有条件的正确。

1、导热硅脂（胶）/硅胶片

虽然名字叫做导热硅脂，实际上从其导热系数上可以看出，导热能力很差很差，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能力，纯正的硅胶大约0.3左右的导热系数，为了增强导热能力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；如果对于绝缘性能要求较低，可以添加石墨或者锡等柔性金属增加导热能力（Intel原装灰色导热硅脂就是添加石墨）。但是导热硅脂其导热系数还是不高，普通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用水泥？

原因就在于，导热硅脂/硅胶导热系数“远”比空气好，空气是一个很不好的保温材料，当MOS与散热片之间接触的时候，由于接触面之间不够光滑，存在空气间隙，会导致热量不能及时传递到散热片而使MOS

温度剧增，最终烧坏。而导热硅脂/硅胶片是柔性的，可以很好的渗入间隙中，将空气挤出，使得热量能够比较好的传递。

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，但是我们生产过程中会出现的状况，硅胶片是有厚度的，相同面积，同材质0. 1mm的硅胶片热阻就要远小于1mm的硅胶片，而使用导热硅脂的话，由于散热片和MOS的金属部分会直接接触，间隙更小，散热也就更好，可是总有人会选择厚的硅胶片，总会有人会堆积导热硅胶。比如L ED球灯，铝外壳内部塞一个驱动板，然后全部灌封导热硅胶，其实对于驱动板的散热效果很不理想。

所以，硅脂硅胶硅胶片，均不是用来散热，而只是辅助散热，设计时应该考虑如何让功率器件更好的接触散热片。硅脂能让金属部分直接接触，是首选；其次就是薄的绝缘垫或者薄的导热硅胶；无论使用哪种材质，组装过程中将MOS和散热片之间尽可能压接紧密是必须的，而导热硅胶堆积、组装结构松散等会对散热带来致命的缺陷。当然，很多人是被“导热”的名字给误导了。

2、空气

空气导热系数很低，但不一定会影响散热。空气的存在假若是在高温器件与散热片之间，那么必然会影响散热，例如双层玻璃用来保温。但是冬天室外，可以说空气厚度无限厚，为什么会觉得冷？为什么冬天穿衣服要抗风？为什么都说刺骨的北风？

这就是因为空气分为静态和动态，动态时候就是“风”，可以很好的散热。总之，必要要记住的是：所有的散热系统最终都会散热到空气中！因此，如何在最后与空气接触时能够更快的将热量传递出去是散热系统设计的重中之重，而形成合理的风道是必要的手段。

像品牌电脑都会设计比较合理的风道以达到理想的散热效果，如果不能使空气流动，往往会风扇空转而温度散不出去，那么这个系统就是失败的，无法取得很好的散热效果。这是设计问题，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散热效果好很多，例如手机。因为CPU热量发出到机壳上散热出去，中间会有一层空气间隙，是热阻的主要来源，相比较而言机壳的材质影响就小很多。但是，只要加了一个小小的风扇，温度就可以大幅度下降，只是手机结构限制无法使用。

对于功率部分散热设计合理的系统，那么其余发热较低的地方，例如控制核心等暴露在空气中与密封在密封胶里面，其实热阻差距并不大，也不过是几倍的关系。因此密封胶的选择应首先考虑使用环境对于胶的防水、震动等要求，而不是导热系数。

3、散热片