导热垫为什么能导热学习笔记

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在能够大规模量产的前提下,“提高导热率”和“降低模量/硬度”属于左右互搏的矛盾操作,套用经济学的“蒙代尔不可能三角”

“导热填料”与“导热率”

添加在硅树脂里面的二氧化硅填料在发挥导热作用,因为二氧化硅属于无机氧化物晶体,它的“晶格”在接触到热量后会发生振动,继而把热流以“声子”的形式大规模地传导出去

科学家们发现硅树脂本身的导热率只有0.2W/m.K,而二氧化硅的导热率则比它高出了整整10倍!正是因为有了二氧化硅这个“优等生”的加持,所以硅树脂整体的导热性能也就提上来了。

多加(填)料,加好(填)料,就能提高导热率!

1)多加料:随着导热填料的含量不断提高,垫片的导热率也越来越高;

2)加好料:在添加量相同的情况下,W/m.K的氮化铝填料就要比30W/m.K的氧化铝填料更能提升垫片的导热率

显然事情不会这么简单,因为对于这种操作,自然界里还有一个“渗流理论(percolationtheory)”在掣肘!

“多加料”与“渗流阈值”

其实“渗流理论”是统计物理学里面的数学工具,它原本想要解决的问题是:当液体遇到了多孔材料,能否以及如何从顶部流到底部。

不过稍加变形之后,这个理论也能用来描述“热流”是如何在导热垫片中传导的。

水在土壤中的“渗流”行为

(信息来源:YT

BrianEvans)

为了更直观地演示“渗流理论”对垫片导热率的预测过程,研究人员就用计算机建立了一个可视化模型。

其中紫色的线段代表导热填料,它们都是随机地出现在绿色的硅树脂之中;而黄色线段则代表热量,只要接触到填料颗粒,热量就会立刻蔓延过去。

从动图的演进我们可以发现——

初期填料颗粒彼此离散,上部的热流也没办法向下大规模地传导;

不过当填料含量达到了一定的体积百分比之后,黄色的热流就像突然觉醒了一般,瞬间就从上部贯穿到了下面。而这就表示此时材料整体的“导热率”出现了大幅的跃升!

导热填料含量与导热率关系的可视化模型

(信息来源:YT

NilsBerglund)

但是接下来情况就不对了。随着填料量突破了某一个体积百分比,“导热率”的增速却明显放缓,到了最后甚至就陷入了停滞,就算加再多的填料都没用了。

而这个有如分水岭一般的填料体积百分比,就是“导热理论”中一个非常重要的概念——渗流阈值

“渗流阈值”展现出来的是一个让人喜忧参半的现实:一方面,要想大幅提高导热率很容易,只要把导热填料加到“渗流阈值”的范围就行了;

而另一方面,一旦导热填料的体积百分比超过“渗流阈值”,之后的导热率虽然还是会继续上升,但上升的空间却变得越来越小了……

金刚石填料?

氧化铝这种价廉物美的金属氧化物在过去几十年里一直盘踞着绝缘导热填料的“C位”。但是因为这位仁兄的导热率只有30W/m.K,所以用它做出来的导热垫片基本上到了6~7W/m.K的水平就再也上不去了。

而在导热率上能做到吊打氧化铝的是氮化硼和氮化铝。不过虽然这二位的导热率高达~W/m.K属于妥妥的高导热人才,但是因为它们的表面处理技术难度比较大,再加上卖得比氧化铝贵上十倍还有余,所以一直都没办法在绝缘导热材料领域争取到什么太重的“戏份”。那么等再过几年6G时代到来,如果需要在10W/m.K的基础之上将导热材料的性能再做进一步的大幅提升,那就只有考虑金刚石了!

不过它的价格也是真的“超级贵”,每公斤动辄就要卖到大几千块!考虑到导热垫片使用前都要模切排废,那么用金刚石做出来的导热垫片真的就是“钻石价”了!

另外金刚石的硬度太高,如果填料粒径太大就容易在压缩垫片的时候损伤器件;但是如果采用纳米级的金刚石填料,又会因为比表面太大容易发生团聚,进而导致垫片内部的热阻增加,也就严重浪费了金刚石那超级高的导热性能!(参考资料:纳米金刚石在润滑油中的分散及其摩擦学性能研究_吴凯)



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