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雷霆の课堂:讲讲“导热硅脂”的科普知识

发布时间:2020-05-06 05:23

  随着英特尔9系高端CPU回归钎焊导热,导热硅脂(不是硅胶!)又一次被PC玩家重视起来。鉴于很多人并不明白硅脂到底是什么以及它是如何工作的,今天的小科普我们就重点讲讲导热硅脂的相关知识。

  我们知道,无论是CPU还是GPU,还有和它们接触的散热器表面,远远不是我们想象中那么平、那么光滑、那么纯洁。当散热器表面和芯片表面接触时,它们之间是凹凸不平的,存在很多沟壑或空隙,其中都是空气。空气的导热能力很差,因此必须用其它物质来降低热阻,否则散热器的性能会大打折扣,甚至无法发挥作用。

  为了解决这种接触面的缝隙问题,导热介质就应运而生了。它的作用就是填充两个接触表面之间大大小小的空隙,增大发热源与散热片的接触面积。导热硅脂是我们最常见的导热介质。

  导热硅脂作为散热器与CPU/GPU这些芯片的中间层,CPU/GPU的热量必须通过它才能传导到散热器上,因此硅脂的优劣对着整个散热系统有着非常重要的影响。但是大多数人对散热器有着孜孜不倦的追求,对导热硅脂却一直缺乏足够的了解。

  在国内外导热硅脂产品的资料中,有的称之为导热膏,有的称之为散热硅脂,英文中导热硅脂的称呼也有几种方式,如Thermal Grease、Thermal Compund、Thermal Paste。为了方便,我们统一用导热硅脂来描述,牵涉到产品时有时简称为硅脂。

  严格的说,导热硅脂只是硅脂中的一种,另外还有如绝缘硅脂、润滑硅脂、光学透明硅脂等,硅脂号称工业中的味精,在电气绝缘、润滑、脱模、防锈、防腐、防水、防震等方面有广泛应用。

  硅脂是硅油二次加工的产品,主要成份是主链含有硅原子的高分子化合物(有机硅化合物)。目前最主要的有机硅高分子是聚硅氧烷。聚硅氧烷是由许多含键的单体聚合而成的链状、环状或网状的高分子化合物,通常也称为硅酮。它的结构特点是含有一个硅、氧原子交替排列的基本骨架,每个硅原子上都连有有机基团,聚硅氧烷中的硅氧键具有高稳定性,有机基团是甲基、较长的烷基、氟代烷基、苯基、乙烯基和一些其他基团。

  硅脂有着与硅油同样的特性,具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力,此外还具有低的粘温系数、较高的抗压缩性。尤其是其热稳定性的和氧化稳定性,使得它在150℃下长期与空气接触也不易变质,在200℃时与氧氯接触时氧化作用也较慢,使用温度一般可以可达-50-150℃,对各种基材有良好的润滑性,无腐蚀作用。

  硅脂的这些特性,使得它成为导热介质最佳人选。较小的表面张力,让它能很好的扩散到芯片和散热器表面的空隙之中,热稳定性保证它在高温下能正常工作,电绝缘性保证了其它电子元器件的安全性。为了加强其导热能力,在硅脂中添加一些功能性填料,如金属氧化物,便制成了导热硅脂。

  硅脂本身是白色的,在加入了不同填料后,就有可能形成其它颜色,如常见的灰色或金黄色。导热硅脂的好坏除了硅脂的品质外,更主要取决于添加填料的差异,现在所说的纳米硅脂,钻石硅脂,都是因为填料而得名。

  注意硅脂和硅胶是有区别的,真正意义上的硅胶是工业上的硅胶,和导热硅脂没什么关系,比如隆胸用的材料就是硅胶。

  作为一种化学物质,导热硅脂有着一些反映自身特性的相关性能参数。了解这些参数的含义,大致上可以判断一款导热硅脂产品的性能高低。

  导热系数的单位为W/m·K(或W/m·℃),表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(K=℃+273.15)时的热传导功率。数值越大,表明该材料的热传递速度越快,导热性能越好。

  各种物质的导热系数相差很大,其根本原因在于不同的物质其导热机理存在着差异。一般而言,金属的导热系数最大,非金属和液体次之,气体的导热系数最小。导热系数小于等于0.055W/m·K的材料称为高效绝热材料,大于等于500W/m·K的料称为高效导热材料。

  比如银的导热系数为420,铜为383,铝为204,水的导热系数为0.58左右,而空气的只有0.023左右,目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m·K,优秀的可达到6W/m·K以上,是空气的200倍以上。但是和铜铝这些金属材料相比,导热硅脂的导热系数只有它们的1/100左右,换句话说,在整个散热系统中,硅脂层其实是散热瓶颈之所在。

  目前所知的导热系数最高的物质为金刚石,可达到1000-2000W/m·K。

  传热系数指在稳定传热条件下,围护结构两侧流体温差为1℃(或1K),1小时内通过1平方米面积传递的热量,单位是W/㎡·K(或W/㎡·℃)。

  热阻系数表示物体对热量传导的阻碍效果,单位℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差。热阻显然是越低越好,Pokerstars扑克之星亚洲版APP。因为相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低。热阻的大小与导热硅脂所采用的材料有很大的关系。

  目前主流导热硅脂的热阻系数均小于0.1℃/W,优秀的可达到0.005℃/W。

  粘度是流体粘滞性的一种量度,指流体内部抵抗流动的阻力,用对流体的剪切应力与剪切速率之比表示,粘度的测定方法,表示方法很多,如动力粘度的单位为泊(poise)或帕·秒。

  对于导热硅脂来说,粘度在2500泊左右,具有很好的平铺性,可以容易地在一定压力下平铺到芯片表面四周,而且保证一定的粘滞性,不至于在挤压后多余的硅脂会流动。

  由于硅脂本身的特性,其工作温度范围是很广的。工作温度是确保导热硅脂处于固态或液态的一个重要参数,温度过高,导热硅脂流体体积膨胀,分子间距离拉远,相互作用减弱,粘度下降;温度降低,流体体积缩小,分子间距离缩短,相互作用加强,粘度上升,这两种情况都不利于散热。

  导热硅脂的工作温度一般在-50℃~180℃。对于导热硅脂的工作温度,我们不用担心,毕竟通过常规手段很难将CPU/GPU的温度超出这个范围。

  介电常数用于衡量绝缘体储存电能的性能,指两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。介电常数代表了电介质的极化程度,也就是对电荷的束缚能力,介电常数越大,对电荷的束缚能力越强。

  普通导热硅脂所采用的都是绝缘性较好的材料,但是部分特殊硅脂(如含银硅脂等)则可能有一定的导电性。空气的介电常数约为1,常见导热硅脂的介电常数约为5。

  油离度是指产品在200℃下保持24小时后硅油析出量,是评价产品耐热性和稳定性的指标。将硅脂涂敷在白纸上观察,会看到渗油现象,油离度高的,分油现象明显;或打开长期放置装有硅脂的容器,油离度大的硅脂,在硅脂表面或容器四周看见明显的分油现象。

  导热硅脂应该怎么涂抹,目前业界还没有一个非常标准的做法。但是有条准则希望大家一定要记住,涂抹的关键在于要均匀、无气泡、无杂质、越薄越好。

  现在涂抹的主要方式有两种,一是在CPU/GPU等表面中心挤上一点硅脂,然后靠散热器的压力将硅脂挤压均匀,另一种方式是均匀将硅脂涂抹在CPU/GPU等表面。第一种方法的缺点在于仅靠压力无法完成均匀涂抹,第二种方法的缺点在于在涂抹过程中很容易将杂质或气泡带入硅脂材料当中。

  1.硅脂是用来填充散热器与CPU/GPU之间肉眼不可见的空隙的,导热系数高于空气低于接触面金属。