導熱膏選擇綜合指南
作者 : Giovanni Di Maria
在所有使用金屬散熱器並產生熱量的電源應用中，導熱膏的應用都是必不可少的。散熱得到極大改善，使熱量更容易從設備流向散熱器。
導熱膏是一種乳狀或液態物質，用於填充兩個金屬表面之間的間隙和微觀間隙，來改善從一個表面到另一個表面的熱傳遞。它在現代電子產品中必不可少，因為元元件會產生大量熱量，必須將這些熱量散發出去以防止過熱和損壞設備。
什麼是導熱膏，它是如何工作的？
散熱器和功率元件的表面在微觀層面上並不十分光滑，而是具有不支持導熱化合物的微小波紋和溝槽(見圖1)。該圖顯示了用大尺寸描繪的表面缺陷如何導致兩個元件之間形成氣泡。在高功率下，即使很小百分比的功率損耗也會極大地影響電路的最終效率。
為了電腦或其他設備的正常運行，有必要使用良好的CPU導熱膏或CPU導熱貼片。導熱膏是一種導熱物質，塗在兩個金屬表面之間以改善熱傳遞。它有助於降低它們的熱阻，增加向外部的散熱。導熱膏填充缺陷並防止氣泡的形成，氣泡的導熱係數低，會通過形成絕緣屏障來阻礙熱傳遞。如果在兩個表面之間塗上導熱膏，就會產生更有效的熱黏合，就好像沒有瑕疵一樣。
圖1：元件表面和散熱器的可視化展示。
每種導熱介面材料都有其自身的導熱係數。該係數越高，散發的熱量越大。金屬可以有效地導熱，而塑膠、玻璃和空氣等其他材料是不良的熱導體。鋁和銅是優良的熱導體和電導體，但在接觸表面之間存在氣泡時，熱交換不再有效，因為空氣是不良熱導體並阻礙散熱。
不同類型的導熱膏及其應用
導熱膏不具有與鋁和銅相同的導熱係數和性能；然而，它對傳熱做出了極大的貢獻。根據導熱膏所用的品質和材料(鋅或銀)，其導電係數範圍為2W/mK至8W/mK。市場上有不同類型的導熱膏，每種都有不同的特性和應用。它們的性能取決於許多因素，例如散熱器類型、應用方法和環境溫度。設計人員必須為其應用選擇正確類型的導熱膏，並正確應用以達到最佳效果。以下是一些最常見的導熱膏類型及其用途:
- 金屬基導熱膏: 它含有懸浮在矽酮或陶瓷物質中的金屬顆粒混合物，例如銀、鋁或銅。這種類型的膏狀物具有高導熱性，非常適合需要高冷卻的應用。它在導熱方面非常有效，因為它含有金屬，這些金屬是熱和電的優良導體。但是，如果有洩漏，它們會導致短路。為此，其在設備上的應用具有挑戰性。
- 陶瓷基導熱膏: 它含有懸浮在矽酮或合成油物質中的陶瓷顆粒。該產品具有良好的導熱性，並且比金屬基導熱膏便宜。它適用於需要適度冷卻的應用。它不導電，因此即使在發生洩漏時也是安全的，並且易於塗抹在表面上。另一方面，它也不會顯著的降低溫度。
- 液態金屬導熱膏: 它含有一些懸浮在液體中的金屬合金。這種類型的導熱膏具有非常高的導熱性，非常適合用於需要極端冷卻的應用。但是，它很難應用並且會損壞多種類型的材料。它的耗散率比普通導熱膏高約八倍，而且它不能與鋁散熱器一起使用，因為可能會引發化學反應。此外，與其他材料相比，它價格高昂，而且一旦散佈到環境中會造成嚴重危害。
- 碳基導熱膏: 它包含懸浮在矽酮或合成油載體中的碳顆粒。這種類型的導熱膏的導熱性低於金屬和陶瓷基導熱膏，但更便宜。對於需要基本冷卻的應用來說，這是一個不錯的選擇。它更容易塗抹，因為它具有良好的密度，使用壽命更長且不導電，是初學者的最佳選擇。不過可惜的是它的效果非常有限。
- 碳基金剛石導熱膏: 由於含有金剛石粉，導熱效果比銀高五倍。它具有電絕緣性、低粘度和出色的穩定性。內含的金剛石呈粉狀，不會劃傷表面。不過毫無疑問的，這種導熱膏的價格非常昂貴。
其他類型的產品還包括合成基化合物、銅基導熱膏和銀基導熱膏。
如何塗抹導熱膏以獲得更好的導熱效率
CPU導熱膏怎麼塗？導熱膏的塗抹需要非常小心，無論是塗抹的量還是塗抹的類型。那麼如何正確塗抹導熱膏呢？導熱膏應該是表面缺陷的填充物，因此，為了以最大的效果實現這一點，在塗抹導熱膏之前，應清潔表面使其沒有任何灰塵或其他可能干擾熱傳遞產生空隙的碎屑。
為此，可以使用普通酒精或丙酮。然後，您可以繼續用小抹刀從中心向外非常均勻地將導熱膏塗抹在主動式元件上(見圖2)。處理器上導熱膏的理想用量是可變的。導熱膏的理想用量取決於電子元件的尺寸和形狀，但一般情況下建議塗抹足夠的材料以均勻覆蓋其表面。通常，對於大多數CPU來說，一粒米大小的量就足夠了，但避免塗抹過多的導熱膏是十分重要的，因為這可能會導致過熱問題。
另一方面，量過少也將完全沒有效果。同時導熱膏的分佈必須是均勻的。無需將其散佈在散熱器表面，因為兩個表面之間的壓力可確保其均勻分佈。所以散熱器的放置和連接需要確保具有良好的壓力和均勻分佈。安裝散熱器後，必須要去除多餘的導熱膏。
圖2：兩個功率MOSFET上塗抹散熱膏。
選擇正確類型的導熱膏的好處
在功率電子元件上應用導熱膏不是一種選項，而是一種強制性選擇，來確保電路盡可能最佳的運行，它的使用必將會帶來更好的散熱。導熱膏可以改善設備和散熱器之間的熱傳遞，這就要求您的處理器有一個優質的散熱器。高品質的導熱膏能進一步降低系統溫度，延長設備壽命。在電子產品中使用適當的散熱解決方案的重要性需要設計師的深入研究。大多數時候，過熱會導致電路穩定性問題，例如突然死機和性能下降。然而，有了良好散熱的系統，所有操作上的問題就都得到了解決，包括發出電氣雜訊和干擾。
市場上最好的導熱化合物品牌
要遵循的第一條規則是選擇一流的、經過公司認證的產品。在這方面應該不遺餘力，因為電子元件的散熱具有不可估量的價值。市場上有多個品牌，每個品牌都有自己的特點和性能(一些示例如圖3所示)。以下是市場上可用的一些導熱膏品牌：
- ArcticSilver：該品牌生產各種優質導熱膏，包括一些具有特殊性能的導熱膏，例如改進的導熱性
- Noctua：以製造冷卻元件而聞名。Noctua導熱膏品質上乘，採用非導電材料防止短路
- Thermal Grizzly：該品牌生產具有不同配方的高性能導熱膏，可滿足多種需求
- Gelid Solutions：該品牌生產用於各種用途的優質導熱膏，包括筆記型電腦應用
- Corsair：以製造遊戲硬體而聞名，它還生產用於CPU和GPU的高品質導熱膏。
這些只是市場上一些可用的導熱膏品牌。設計師應該選擇最適合自己需求的品牌。此外，還建議閱讀客戶評論以瞭解產品概況。
圖3：市面上的幾種導熱膏。
結論
在所有使用金屬散熱器並產生熱量的電源應用中，導熱膏的應用都是必不可少的。使用它的好處有很多。散熱得到極大改善，使其更容易從設備流向散熱器，然後散熱器可以更快地散逸到周圍環境。系統效率也得到提高，因為兩個表面之間的熱阻降低，確保電子元件在適當的溫度下運行並且不會過熱。通過使用導熱膏將電子元件保持在合適的溫度，提高了它們的可靠性和耐用性，避免了永久性損壞或電路運行異常的風險。用戶還應記住，必須經常更新和替換導熱膏，以保持較高的整體效率。
原文刊登於EDN China網站
(參考原文: A Comprehensive Guide to Thermal Paste and Its Benefits in Modern Electronics，By Giovanni Di Maria)
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