热管理的“隐形守护者”——导热硅脂

热管理的“隐形守护者”——导热硅脂

AI技术的发展,离不开对散热材料的需求。电子元件的温度每升高2℃,其可靠性会下降10%。AI时代下需要更强大的处理器,这些处理器功耗更高,发热量更大,需要更高的导热系数、更好的稳定性、更长的使用寿命。

目前,导热材料主要有金属类、陶瓷类、碳基材料、聚合物及复合材料等,其中导热硅脂材料(用于填补电子元件与散热器之间的微小空隙,提升热传导效率)占据重要地位。

导热硅脂是一种金属氧化物填充的有机硅混合物。导热硅脂的性能取决于硅油、填料及界面。

导热填料是主要的导热载体,无论是以粒子还是以纤维的形式存在,其自身的导热性均远大于基底材料。当导热填料掺量较少时,导热填料能均匀分散在体系中,彼此之间无相互接触、无相互作用,此时导热填料对整个体系的导热性贡献不大;然而,当导热填料掺量达到临界点时,导热填料之间开始相互接触、相互作用,并在体系中形成导热网链,当这些导热网链的取向与热流方向平行时,就会明显提高体系的导热性能。

导热硅脂由聚合物和高导热填料组成,聚合物和导热填料的选择决定了最终的性能。其中,填料的重要特性包括本身的导热属性、形态(颗粒大小和形态)以及粒径分散度等。若考虑到介电性能和成本,则通常使用陶瓷粉末(如氧化铝、氧化锌等),也可以使用金属颗粒(如银、铝等)。

由于导热填料的体积分数直接影响材料的热导率,为使导热填料的掺量最大化,使用不同粒径的导热填料,以保证空隙处基本能被填满且保证足够的润湿性。颗粒的粒径分布对体系的黏度影响很大,特别是当导热填料的体积分数相同时,不同粒径的导热填料若能调配适当,就能获得优异的性能。

目前,导热填料主要包括金属粉体、金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物和新型导热材料(如碳纳米管、相变材料、石墨烯和纳米金刚石)等。

①、硅基底导热硅脂:是最常见的类型,由硅油基质和金属氧化物导热填料组成,具有良好的粘稠度和导热性能,适用于大多数电脑和笔记本电脑。

②、碳基底导热硅脂:主要由碳微粒制成,导热性能较好,但不导电,更适合安全要求较高的场景。

③、液态金属导热硅脂:液态金属硅脂与以上两种硅脂不同,其中不含液体基质,也没有导热填料,而是由液态金属来充当这二者的作用,既可以导热,也可以填补空隙。液态金属硅脂的导热系数最高,常用于经常超频运行的高端电脑中。

④、有机硅导热硅脂:由有机硅聚合物组成,具有高绝缘性和耐高温性,适用于需要高绝缘性的场景。

⑤、非有机硅导热硅脂:不含有机硅成分,通常用于特定工业应用。

高性能导热硅脂重点用于:

1、CPU/GPU散热:填充芯片与散热器(如风冷散热器、水冷头)之间的缝隙,降低工作温度。部分高性能SSD或内存模块需要导热硅脂辅助散热,避免因高温导致性能下降或损坏。

2、消费电子领域:旗舰手机或平板的高性能芯片(如SoC)需要导热硅脂配合散热铜管或石墨片,防止过热降频。游戏设备与VR头显高功耗处理器需通过导热硅脂快速导出热量,维持流畅运行。

3、工业领域:IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、整流器等大功率器件的散热,保障电网设备、逆变器稳定运行。高亮度LED灯具(如路灯、舞台灯)需通过导热硅脂将热量传导至散热外壳,延长光源寿命。PLC、变频器、伺服驱动器等需要稳定散热的工业电子元件。

4、新能源汽车领域:电池管理系统(BMS)与电芯之间的导热,均衡温度分布,防止热失控。功率半导体(如SiC、GaN器件)的高效散热,提升电动汽车能效。5、通信领域:数据中心的高密度服务器CPU、GPU加速卡需依赖高性能导热硅脂提升散热效率。基站射频模块(AAU)、基带单元(BBU)中的高功率芯片散热,保障信号稳定。

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