热传导材料学检验知识要点

传热是因存在温差而发生的热能的转移。

依据热量转移过程的特点，热量的传递方式被划分为三类：热传导，热对流和热辐射。我们可以通过几个经典的公式和定律，从理论层面建立对e和p的认知。

2.1 热传导（Thermal Conduction）

热量通过媒介从高温区域传递到低温区域，并且不引起任何形式的宏观相对运动，具备这种特点的热量转移方式，称为热传导或导热。

热传导在电子产品中广泛存在。芯片内部的热量传递到封装表面或印制板的过程，印制板内部的热量传递，导热界面材料内部的热量转移过程，芯片热量传递到安装在其上的散热器上的过程等等都是热传导。生活中导热的现象更是比比皆是，如手拿着一根金属棒放在火上烤，不仅与火焰接触的部位会变热，手拿的这一端也会很快升温；烧开水时，烧水壶的把手并未与热水接触，但其也会变热。

实验表明，热传导速率与温度梯度以及物质的种类有关。法国科学家傅里叶提出了定量描述热传导中热流密度的公式：

这就是著名的傅里叶导热定律。式中，q'X表示x方向的热流密度，其物理意义为x方向上单位时间内在单位面积上通过的热量，其单位是W/m2。T表示温度，k表示导热系数。如果要计算整个x方向在通过面积为A的导热面的热通量，公式变为：

式中Φ表示热通量，单位是W。可以看到，其单位和功率是相同的。

傅里叶导热定律论述的是一维导热问题，直接用它来计算总是在三维空间中进行的传热过程会有所偏差，但通过分析具体的物理场景，这一公式在电子产品热设计中仍然有非常直接的应用。推算导热界面材料造成的温差就是之一。

当芯片上方装配散热器时，为了降低散热器和芯片表面直接接触不严导致的传热不畅，通常会在两者之间加装柔性的材料用来填充微小缝隙，这种材料就称为界面材料。通常提到的导热衬垫、导热硅脂、导热凝胶等介质，都属于界面材料。

如上图所示，散热器和芯片之间填充有界面材料。芯片热量发出后，将迅速通过导热衬垫传递到散热器上，进而散逸到周围的空气中。导热衬垫中的热量传递中，厚度方向占据绝对份额。如何计算此材料带来的温度影响呢？举例说明如下。

已知：

1)芯片发热面尺寸为10 mm•10 mm；

2)导热衬垫厚度是0.5 mm；

3)导热系数是2 W/(m•K)；

4)芯片的功耗是2 W。

将上述已知条件带入傅里叶导热定律，就可计算得出导热衬垫带来的温差是5℃

这一数值与实际相比是偏大的，这会在本书第五章详述原因。测试工程师测试时，如果不方便测试芯片表面的温度，就可以通过测试散热器中心的温度，然后加上这5℃的温差，来推算芯片表面的温度。

从傅里叶导热定律可以看出，传递相同的热量，材料导热系数和导热面积越大，厚度越小，产生的温差也就越低。三者都是线性的关系，非常容易快速推测相关变更带来的影响（以上面导热衬垫的温差为例，如果导热衬垫厚度变成1mm，则温差就是10℃）。导热界面材料的具体选型设计方法将在本书第七章详述。

注：傅里叶导热定律描述的是一维导热现象，其推算导热材料造成的温差不适用于那些明显具有三维或二维导热的场景，如芯片内部发热分布非常不均匀的场景，以及那些使用了导热系数各向异性的导热材料的场景。

导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一。物体的导热系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等许多因素有关。一般说来，金属的导热系数较大，非金属次之，液体的较小，而气体的较小。各种物质的导热系数通常用实验方法测定。常见物质的导热系数可以从手册中查取。各种物质导热系数的大致范围见表2-1。

表2-1 电子产品热设计中常用到的金属材料的导热系数、比热容和密度表

知识文档来源于“从零开始学散热”。

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