本文是對當今可用的熱材料的基本了解，以及熱設計的一般設計注意事項。本文涵蓋熱導率、熱界面材料和用于被動散熱的金屬材料。

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傅立葉為系統内傳導定義的方程如下：

Q = -k (dT/dx)

Q = 是每單位面積的熱流K = 熱導率 (W/mK)，dT/dx = 每長度變化的溫度變化T = 溫度x = 長度。

此外，Q = q/A，其中 q = 焦耳/秒（瓦特），A = 垂直于熱流方向的橫截面積。對于簡單的一維設計問題、網絡阻力模型中的計算，該等式可以簡化為：

q = k*A*ΔT/X

使用這個方程，可以對所需的熱導率範圍進行一些基本的設計估計。選擇材料或确定散熱器、散熱器或熱交換器的尺寸或形狀可以通過簡單的手工計算快速估算。

通常，為散熱器或熱交換器選擇的材料是鋁合金。當需要更高導電率的材料時，最常選擇銅合金。我們如何選擇要使用的合金？有很多選擇可供選擇，我們必須研究不同材料選擇之間的權衡、我們設計的複雜性、我們的設計成本以及将用于創建零件和組件的制造技術。這些都很重要，還必須考慮材料特性，以确保材料具有足夠高的熱導率和/或熱容。可能需要考慮的其他物理特性是屈服強度 和彎曲模量以及材料的熱膨脹系數、密度和比熱。

有關可用于設計研究的常用材料及其屬性的列表，請參見表 1。

表1：常見金屬及其性能

在許多設計應用中，通常使用結構（機箱或外殼）作為散熱方法，而不是使用專用的熱交換器或散熱器。

一個例子是電子電路闆，其中被動散熱技術是着陸或安裝表面（圖 1）。在該區域确保良好的熱接觸，并且熱負載從該界面傳導至機箱的外表面。排熱機制是與周圍空氣的自然對流。這讓我們需要考慮更廣泛的材料來解決我們的熱管理要求。

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熱膨脹系數（CTE）是可以在通常的機制，儀器或其它裝置的設計被忽視的附加材料屬性。材料的膨脹和收縮會直接影響功能和性能。如果最壞情況的公差疊加使您的配合在室溫下非常邊緣，那麼在極端炎熱或寒冷的極端條件下，零件的間隙會發生什麼變化？一個例子是與不同材料的運行間隙配合。當産品被帶到其工作溫度範圍的極端時，和/或在考慮制造公差時零件的額外尺寸變化時，這些可能會産生約束。

接觸電阻或熱界面電阻是熱量在兩個直接接觸的表面之間流動的能力。兩個部分的界面在分子水平上沒有連接，因此這會影響兩個不同項目的電子輕松相互作用和跨邊界傳遞能量的能力。如果在顯微鏡下觀察表面接觸，可以很容易地看到界面沒有平滑接觸。微尺度拓撲結構是一系列粗糙的帶有間隙間隙的山脊和山谷（圖 2）。

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精細的表面光潔度可以降低熱阻，但這種表面光潔度是有代價的。它們通常經過精密加工或研磨，如果您使用鑄造或 MIM（金屬注射成型）零件，則需要進行後處理加工操作以獲得非常精細的表面光潔度。這些額外的過程可能會顯着增加零件成本。可以做出的權衡是使用市售的熱界面材料。這些可從一系列供應商處獲得。表 2 顯示了一些可用的選項。

需要注意的是，熱阻因接觸壓力和材料界面而異，因此未列于表 2 中。設計人員應仔細選擇厚度并設計可以通過制造公差獲得的壓縮範圍或間隙。對于導熱油脂、環氧樹脂和化合物，組裝過程或設計本身應将粘合線厚度控制在定義的值，以便正确設計設計所需的熱阻以滿足項目的需求。

市場上提供的導熱膏和間隙墊選項很多。這個行業競争非常激烈，設計工程師會通過一些簡單的搜索找到許多可供選擇的選項。這些材料的熱導率從大約 1.0 W/mK 到高達 17 W/mK 的水平不等。

較薄的界面材料可以通過填充接觸點之間的間隙來幫助降低熱接觸電阻，而且它們比間隙焊盤更薄的事實意味着通過材料的溫升将低于較厚的材料。除了間隙 gad 材料之外，另一種選擇是可以分配到位的熱化合物或泡沫。這些材料用于填充發熱組件或具有不同高度的表面（例如電路闆）之間的間隙，其中的熱量必須從多個表面轉移到散熱器或散熱器中。

對于更具挑戰性的應用，可以使用金屬熱界面材料。石墨材料在當今市場上很容易買到。也可以使用铟合金金屬箔，但價格稍貴。金屬箔的優點不僅在于具有更高的導熱性，而且它們的柔軟性還可以在材料之間的邊界處産生非常低的熱阻。這适用于石墨産品以及基于铟和銀的金屬箔。

基于聚合物的熱界面材料和基于金屬箔的材料之間将存在價格差異。金屬材料的成本會更高。設計權衡必須基于項目要求、預算限額和可以容忍的熱界面上的溫升。

也可以在系統設計中可以容忍的界面上考慮導熱油脂。這是一種衆所周知的方法，可以使用許多資源來幫助找到正确的解決方案。這可以是一種低成本的設計解決方案，可以幫助顯着降低界面的熱阻。然而，它可能以性能（因為最終可能發生界面幹燥）、其他組件的内部污染或組裝或維修便利性方面的額外複雜性為代價，例如汽車或軍用電子設備和設備倉庫維修是設計考慮的一部分。

對于更高的熱通量密度或具有更複雜幾何形狀的設計，可以使用高導熱性環氧樹脂和漿料。一些載銀環氧樹脂高達 60 W/m K，創新者不斷推動更高的限制。環氧樹脂通常用于輔助用螺栓将外殼組裝在一起、将熱交換器安裝到外殼上，或者用于更複雜的精密組裝，例如半導體元件的激光晶體安裝或芯片貼裝封裝。

市售的環氧樹脂種類繁多。在不久的将來，金剛石負載的熱界面材料和化合物正在迅速發展，并且正在推動越來越高的能力。

對于瞬态熱考慮，應注意材料的比熱值。這是材料保持每單位質量能量的能力。當熱負荷條件是間歇性或周期性的時，這可能是設計的重要組成部分。正确選擇材料有助于優化系統的瞬态熱性能。如果您考慮比熱乘以密度，則所得值可以顯着了解您的材料保持熱量的能力或其體積熱容量。比熱乘以密度得到的單位是[焦耳/(開爾文m 3 ] 或[焦耳/°Cm 3 ]。

然後，對于特定材料的物體每立方米，将需要“X”焦耳才能将物體的溫度升高 1°C。對于當今的大多數電子、機電一體化和機器人應用，您很可能會使用遠小于 1 立方米的材料，因此可以看出，局部溫升很容易在瞬間升高幾度，而隻需幾瓦特[焦耳/秒] 餘熱。

如果系統的廢熱量已知，則可以計算整體溫度。體溫傳熱方程為：

Q· Dt = ρ· V· Cp DT {參考 2}

其中，Q = 傳遞到系統的熱量，瓦特 [焦耳/秒]Cp = 材料的比熱（J/kg·K）Dt = 施加的時間能量（秒）ρ = 材料的密度（kg/m 3）V = 材料體積 (m 3 )DT = 溫升 (K)

α = k/ (ρ *Cp)

其中，k = 熱導率，W/(m·K)ρ = 密度 (kg/m³)Cp = 比熱容，J/(kg·K)

您的材料的熱導率現在很重要，因為它與瞬态熱負載期間系統内發生的熱梯度直接相關。當比熱乘以密度，然後再乘以材料的熱導率時，瞬時得到的值就是熱擴散率。在某些設計中，瞬态溫升可能足夠低，以至于傳導性或熱擴散不太重要，并且可以使用具有較低熱導率和較高密度和比熱值的材料，例如鋼或不鏽鋼。

這導緻了另一種可以考慮用于電路闆級組件冷卻的材料：相變材料和熱界面材料：

大多數這些材料被設計成在相變期間它們被保留在室溫下存在的材料的局部體積内。通常，包括我自己在内的許多設計工程師可能對使用這種類型的材料猶豫不決，因為擔心随着材料經曆相變，材料顆粒可能會逃逸到周圍的組件中。大多數供應商都知道這個問題，并且他們的産品被設計成不存在這個問題。在沒有仔細設計考慮的情況下，不建議在相同面積或體積的精密光學系統中使用此類材料。

其他材料（例如石蠟）已被用作相變儲存器或為瞬态設計儲存熱量的空腔。考慮到額外的瞬态負載，去除穩态熱負載的設計增強是将金屬冷卻路徑與嵌入的相變材料或蠟相結合。設計可以将導電路徑（例如金屬翅片或金屬泡沫）與嵌入式相變材料集成在一起。這種設計允許去除穩态負載，并具有處理更高周期性負載的額外能力。

除了銅，我們開始尋找更多奇特和昂貴的材料。這些材料通常是碳基材料。需要注意的是，這些高導電率材料具有各向異性的導熱率，這意味着導熱率随方向而變化。這些材料往往在 XY 方向具有高電導率，而在整個材料厚度 (Z) 中的電導率要低得多。提供的圖表（表 4）顯示了市售材料的有效熱導率。

這些材料可以有效地用作散熱器，以減少發熱部件界面處的局部熱梯度，然後與具有更高“Z”方向傳導率的材料配合使用。

一些更先進的材料已經商業化，例如具有低密度和高導電性的石墨-鋁複合材料。即使是這些下一代材料也适用于特殊的設計場景。必須存在一種特殊情況，即物品的重量要求超過成本。該物品可以以其較低的屈服強度和彈性模量不影響系統或設備的結構性能的方式使用。

通過在網上快速搜索，許多研究機構和大學正在推進石墨烯（5000 W/mK）作為潛在的熱界面材料和碳納米管（3500 W/mK）的研究。出現了一些公司，它們已經制作了這些技術的一些非常小規模的版本。将其納入設計的真正技巧是讓項目經理相信該技術物有所值，然後說服可靠性工程師在設計中使用它不會産生任何長期可靠性問題、腐蝕或污染問題。

當需要非常高的導熱率時，熱設計師還有一個額外的選擇，那就是熱管，預期有效導熱率從 6,000 W/mK 開始，但可能遠高于 10,000 W/mK。

希望本文為讀者提供了對熱管理設計注意事項和可供您在下一個設計中選擇的材料的回顧或基本介紹。

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