导热系数在电子设备中起到什么作用

导热系数：衡量材料传热能力的指标。给定材料两侧的两个表面，它们之间存在温差，热导率是每单位时间和每单位表面积传递的热能除以温度差 。

导热性是一种散装特性，描述了材料传热的能力。在图1的等式中，热传导率是比例因子K.传热距离定义为通过材料（Q）传递的热量，从温度T1到温度T2，当T1> T2 2 .

图1：从热（T1）表面到冷（T2）表面的传导传热过程。

材料的导热性在电子设备的冷却中起着重要作用;从产生热量的模具到容纳电子器件的机柜，传导热传递以及随后的热传导是整个热管理过程中不可或缺的组成部分。

热量来自模具对外部环境是一个复杂的过程，在设计热解决方案时必须要了解。过去，许多设备无需像散热器那样需要外部冷却设备即可运行。在这些器件中，由于主要传热路径进入PCB，因此需要优化从芯片到电路板的导通电阻。随着功率水平的增加，仅仅向板内的热传递变得不充分。现在，大部分热量通过部件的顶部表面直接散发到环境中。在这些新型高功率器件中，低结壳电阻非常重要，附加散热器的设计也很重要。

确定材料导热在特定热管理应用中的重要性（例如散热片），重要的是将与传导传热相关的整体热阻分为三个部分：界面，扩散和传导电阻。

接口材料
界面材料增强了热接触不完美的配合面。具有良好表面润湿能力的高导热材料将降低界面电阻。

扩散电阻
扩散电阻用于描述与较大散热器耦合的小热源相关的热阻。除其他因素外，散热器底座的导热系数直接影响扩散阻力。

导电电阻
导电电阻是散热器内部热阻的量度，因为热量从基座传到鳍片散落到环境中。关于散热器设计，传导阻力在自然对流和低气流条件下不太重要，随着流速的增加变得越来越重要。

导热系数的常用单位为W/mK和Btu/hr-ft - °F。

材料体积电导率（W/mk）银，纯418.0铜11000 388.0铝6061 T6 167.0锌，纯112.2铁，铸造55.0焊料，60％锡50.0钛15.6热油脂，T660 0.90玻璃纤维0.040 Air，stp 0.025

在电子行业中，不断推动更小尺寸和更快速度，大大减少了许多部件的规模。由于这种转变现在从宏观尺度继续到微尺度，因此重要的是要考虑对导热系数的影响，而不是假设整体特性仍然准确。基于连续体的傅立叶方程不能预测这些较小尺度的热特性。需要更完整的方法，如玻尔兹曼输运方程和格子Boltzmann方法 3 。

厚度对电导率的影响见图2。是硅，广泛用于电子产品。

图2：硅薄膜的热导率 3

与许多物理性质一样，导热系数可以是各向异性取决于材料（取决于方向）。结晶和石墨是这种材料的两个例子。石墨已被用于电子工业，其高面内导电性是有价值的。石墨晶体具有非常高的面内电导率（~2000 W/mK），这是由于它们的基面上具有强的碳 - 碳键合。然而，平行的基面彼此弱结合，垂直于这些平面的热导率非常低（~10 W/mK） 4 。

导热系数是不仅受厚度和方向变化的影响;温度也会对整体幅度产生影响。由于材料温度升高，内部颗粒速度增加，导热性也增加。这种增加的速度以较小的阻力传递热量。 Wiedemann-Franz定律通过将热导率与电导率与温度相关联来描述这种行为。值得注意的是，温度对导热系数的影响是非线性的，如果没有事先的研究，很难预测。下图显示了在很宽的温度范围内导热率的行为。这些材料（氮化铝和硅）都广泛用于电子产品中（分别见图3和图4）。

图3：导热系数氮化铝作为温度的函数。

图4：硅的热导率随温度的变化 5 。

未来，具有多个内核的更高功率处理器将进一步推动对提高导热性的需求。因此，值得研究在电子封装中使用的现有材料的导热性增强的其他研究和开发领域。一个这样的领域是纳米技术对导热性的影响，其中碳纳米管由于大的声子平均自由路径 7 而显示出接近金刚石的导电率值。随着器件功耗的稳步上升，新材料的开发和现有材料的增强将带来更有效的热管理。