热设计基础：材料和计算

本文是对当今可用的热材料的基本了解，以及热设计的一般设计注意事项。本文涵盖热导率、热界面材料和用于被动散热的金属材料。

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基本传导方程

傅立叶为系统内传导定义的方程如下：

Q=-k(dT/dx)

Q=是每单位面积的热流K=热导率(W/mK)，dT/dx=每长度变化的温度变化T=温度x=长度。

此外，Q=q/A，其中q=焦耳/秒（瓦特），A=垂直于热流方向的横截面积。对于简单的一维设计问题、网络阻力模型中的计算，该等式可以简化为：

q=k*A*ΔT/X

使用这个方程，可以对所需的热导率范围进行一些基本的设计估计。选择材料或确定散热器、散热器或热交换器的尺寸或形状可以通过简单的手工计算快速估算。

通常，为散热器或热交换器选择的材料是铝合金。当需要更高导电率的材料时，最常选择铜合金。我们如何选择要使用的合金？有很多选择可供选择，我们必须研究不同材料选择之间的权衡、我们设计的复杂性、我们的设计成本以及将用于创建零件和组件的制造技术。这些都很重要，还必须考虑材料特性，以确保材料具有足够高的热导率和/或热容。可能需要考虑的其他物理特性是屈服强度和弯曲模量以及材料的热膨胀系数、密度和比热。

有关可用于设计研究的常用材料及其属性的列表，请参见表1。

表1：常见金属及其性能

在许多设计应用中，通常使用结构（机箱或外壳）作为散热方法，而不是使用专用的热交换器或散热器。

一个例子是电子电路板，其中被动散热技术是着陆或安装表面（图1）。在该区域确保良好的热接触，并且热负载从该界面传导至机箱的外表面。排热机制是与周围空气的自然对流。这让我们需要考虑更广泛的材料来解决我们的热管理要求。

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CTE（热膨胀系数）

热膨胀系数（CTE）是可以在通常的机制，仪器或其它装置的设计被忽视的附加材料属性。材料的膨胀和收缩会直接影响功能和性能。如果最坏情况的公差叠加使您的配合在室温下非常边缘，那么在极端炎热或寒冷的极端条件下，零件的间隙会发生什么变化？一个例子是与不同材料的运行间隙配合。当产品被带到其工作温度范围的极端时，和/或在考虑制造公差时零件的额外尺寸变化时，这些可能会产生约束。

热阻

接触电阻或热界面电阻是热量在两个直接接触的表面之间流动的能力。两个部分的界面在分子水平上没有连接，因此这会影响两个不同项目的电子轻松相互作用和跨边界传递能量的能力。如果在显微镜下观察表面接触，可以很容易地看到界面没有平滑接触。微尺度拓扑结构是一系列粗糙的带有间隙间隙的山脊和山谷（图2）。

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精细的表面光洁度可以降低热阻，但这种表面光洁度是有代价的。它们通常经过精密加工或研磨，如果您使用铸造或MIM（金属注射成型）零件，则需要进行后处理加工操作以获得非常精细的表面光洁度。这些额外的过程可能会显着增加零件成本。可以做出的权衡是使用市售的热界面材料。这些可从一系列供应商处获得。表2显示了一些可用的选项。

热界面材料

需要注意的是，热阻因接触压力和材料界面而异，因此未列于表2中。设计人员应仔细选择厚度并设计可以通过制造公差获得的压缩范围或间隙。对于导热油脂、环氧树脂和化合物，组装过程或设计本身应将粘合线厚度控制在定义的值，以便正确设计设计所需的热阻以满足项目的需求。

市场上提供的导热膏和间隙垫选项很多。这个行业竞争非常激烈，设计工程师会通过一些简单的搜索找到许多可供选择的选项。这些材料的热导率从大约1.0W/mK到高达17W/mK的水平不等。

较薄的界面材料可以通过填充接触点之间的间隙来帮助降低热接触电阻，而且它们比间隙焊盘更薄的事实意味着通过材料的温升将低于较厚的材料。除了间隙gad材料之外，另一种选择是可以分配到位的热化合物或泡沫。这些材料用于填充发热组件或具有不同高度的表面（例如电路板）之间的间隙，其中的热量必须从多个表面转移到散热器或散热器中。

金属热界面

对于更具挑战性的应用，可以使用金属热界面材料。石墨材料在当今市场上很容易买到。也可以使用铟合金金属箔，但价格稍贵。金属箔的优点不仅在于具有更高的导热性，而且它们的柔软性还可以在材料之间的边界处产生非常低的热阻。这适用于石墨产品以及基于铟和银的金属箔。

基于聚合物的热界面材料和基于金属箔的材料之间将存在价格差异。金属材料的成本会更高。设计权衡必须基于项目要求、预算限额和可以容忍的热界面上的温升。

导热油脂

也可以在系统设计中可以容忍的界面上考虑导热油脂。这是一种众所周知的方法，可以使用许多资源来帮助找到正确的解决方案。这可以是一种低成本的设计解决方案，可以帮助显着降低界面的热阻。然而，它可能以性能（因为最终可能发生界面干燥）、其他组件的内部污染或组装或维修便利性方面的额外复杂性为代价，例如汽车或军用电子设备和设备仓库维修是设计考虑的一部分。

高导热环氧树脂和糊状物

对于更高的热通量密度或具有更复杂几何形状的设计，可以使用高导热性环氧树脂和浆料。一些载银环氧树脂高达60W/mK，创新者不断推动更高的限制。环氧树脂通常用于辅助用螺栓将外壳组装在一起、将热交换器安装到外壳上，或者用于更复杂的精密组装，例如半导体元件的激光晶体安装或芯片贴装封装。

市售的环氧树脂种类繁多。在不久的将来，金刚石负载的热界面材料和化合物正在迅速发展，并且正在推动越来越高的能力。

瞬态注意事项

对于瞬态热考虑，应注意材料的比热值。这是材料保持每单位质量能量的能力。当热负荷条件是间歇性或周期性的时，这可能是设计的重要组成部分。正确选择材料有助于优化系统的瞬态热性能。如果您考虑比热乘以密度，则所得值可以显着了解您的材料保持热量的能力或其体积热容量。比热乘以密度得到的单位是[焦耳/(开尔文m3]或[焦耳/°Cm3]。

然后，对于特定材料的物体每立方米，将需要“X”焦耳才能将物体的温度升高1°C。对于当今的大多数电子、机电一体化和机器人应用，您很可能会使用远小于1立方米的材料，因此可以看出，局部温升很容易在瞬间升高几度，而只需几瓦特[焦耳/秒]余热。

体热传递

如果系统的废热量已知，则可以计算整体温度。体温传热方程为：

Q·Dt=ρ·V·CpDT{参考2}

其中，Q=传递到系统的热量，瓦特[焦耳/秒]Cp=材料的比热（J/kg·K）Dt=施加的时间能量（秒）ρ=材料的密度（kg/m3）V=材料体积(m3)DT=温升(K)

热扩散方程****

α=k/(ρ*Cp)

其中，k=热导率，W/(m·K)ρ=密度(kg/m)Cp=比热容，J/(kg·K)

您的材料的热导率现在很重要，因为它与瞬态热负载期间系统内发生的热梯度直接相关。当比热乘以密度，然后再乘以材料的热导率时，瞬时得到的值就是热扩散率。在某些设计中，瞬态温升可能足够低，以至于传导性或热扩散不太重要，并且可以使用具有较低热导率和较高密度和比热值的材料，例如钢或不锈钢。

这导致了另一种可以考虑用于电路板级组件冷却的材料：相变材料和热界面材料：

相变热界面材料

大多数这些材料被设计成在相变期间它们被保留在室温下存在的材料的局部体积内。通常，包括我自己在内的许多设计工程师可能对使用这种类型的材料犹豫不决，因为担心随着材料经历相变，材料颗粒可能会逃逸到周围的组件中。大多数供应商都知道这个问题，并且他们的产品被设计成不存在这个问题。在没有仔细设计考虑的情况下，不建议在相同面积或体积的精密光学系统中使用此类材料。

其他材料（例如石蜡）已被用作相变储存器或为瞬态设计储存热量的空腔。考虑到额外的瞬态负载，去除稳态热负载的设计增强是将金属冷却路径与嵌入的相变材料或蜡相结合。设计可以将导电路径（例如金属翅片或金属泡沫）与嵌入式相变材料集成在一起。这种设计允许去除稳态负载，并具有处理更高周期性负载的额外能力。

高导电材料

除了铜，我们开始寻找更多奇特和昂贵的材料。这些材料通常是碳基材料。需要注意的是，这些高导电率材料具有各向异性的导热率，这意味着导热率随方向而变化。这些材料往往在XY方向具有高电导率，而在整个材料厚度(Z)中的电导率要低得多。提供的图表（表4）显示了市售材料的有效热导率。

这些材料可以有效地用作散热器，以减少发热部件界面处的局部热梯度，然后与具有更高“Z”方向传导率的材料配合使用。

一些更先进的材料已经商业化，例如具有低密度和高导电性的石墨-铝复合材料。即使是这些下一代材料也适用于特殊的设计场景。必须存在一种特殊情况，即物品的重量要求超过成本。该物品可以以其较低的屈服强度和弹性模量不影响系统或设备的结构性能的方式使用。

通过在网上快速搜索，许多研究机构和大学正在推进石墨烯（W/mK）作为潜在的热界面材料和碳纳米管（W/mK）的研究。出现了一些公司，它们已经制作了这些技术的一些非常小规模的版本。将其纳入设计的真正技巧是让项目经理相信该技术物有所值，然后说服可靠性工程师在设计中使用它不会产生任何长期可靠性问题、腐蚀或污染问题。

当需要非常高的导热率时，热设计师还有一个额外的选择，那就是热管，预期有效导热率从6,W/mK开始，但可能远高于10,W/mK。

希望本文为读者提供了对热管理设计注意事项和可供您在下一个设计中选择的材料的回顾或基本介绍。

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