超能課堂(320)：對於硅脂，導熱係數可能沒那麼重要

我們都知道，導熱硅脂作為TIM（Thermal Interface Material，導熱界面材料）主要是用來填充固體-固體之間的縫隙，增加接觸面積，降低界面熱阻，提高熱通量。

硅脂導熱能力的強弱，有個很重要的指標，在我們認知範圍內一直以來可能也是唯一的一個指標，那就是導熱係數，它的單位為W/m.K，其定義也很簡單，一個物體內兩個相距1米、面積為1平方米的平行平面，當它們的溫度相差1K，在1秒內從一個平面傳導至另一個平面的熱量就是為該物質的導熱係數。導熱係數越大，表明它的導熱能力越強。

導熱係數有個好處，它是材料的一個固有參數，除了隨溫度略有變化外，不隨厚度、面積等條件發生變化，方便簡單，所以廣為使用，備受關注。

由於導熱係數很關鍵，再加上需要相關設備才能測試得到，一般用戶是無法驗證真實性的，所以市面上各家硅脂標註的這一指標那是真真假假、虛虛實實，有些已經到了無知無畏無下限的地步。

無知無畏無下限的15.6W/m.K

像這樣把導熱係數標到15.6W/m.K，那是萬萬沒沒想到，真懷疑是不是小數點標錯了？！目前市面上的硅脂主要是由信越和道康寧生產，它們提供的導熱係數高的也就在6-8W/m.K，其它各品牌的硅脂基本上是分裝貼牌的，所以市面上那些動輒10 導熱係數的硅脂肯定是虛標，關鍵是，這一現象目前太普遍了，使得這一重要指標已經慢慢失去了參考價值。

似乎跑題了，其實今天要講的並不是虛標一事。

導熱係數高的導熱能力反而弱了？

如果單純從導熱係數來區分硅脂間的性能，其實可以理論上推算一下：

熱傳導傅里葉定律：Q=K₁*A*ΔT₁/L = K₂*A*ΔT₂/L

這裡Q為傳熱量，K₁、K₂為兩款硅脂的導熱係數，ΔT₁、ΔT₂為它們上下表面的溫度差，A為傳熱面積，L為硅脂層厚度。

簡單換算下 ΔT₁=Q*L/A/K₁、 ΔT₂=Q*L/A/K₂

它們間的導熱性能差距就是 ΔT₁- ΔT₂=（1/K₁-1/K₂)*Q*L/A

假設兩款硅脂的導熱係數分別為6W/m.K（頂尖水平）和3.3W/m.K（普通水平），CPU的功耗為200W並且熱量全部傳至散熱器（下同），硅脂厚0.08mm（正常硅脂厚為0.07-0.1mm），傳熱面積為1060mm²(英特爾12代CPU的表面積)，那麼它們對CPU的溫度影響差為：

ΔT₁-ΔT₂=（1/6-1/3.3)*200*0.08/1060*1000=-2.1℃

也就是說，只看導熱係數的話，和普通硅脂相比，頂尖的硅脂（如信越7921）也只能讓CPU的溫度再低上2℃，理論上硅脂的影響並沒那麼大。

當然了，這是只看導熱係數的情況，實際上情況要更複雜一些。

在信越官網提供的一些它們的產品參數：

看看我們熟悉的7868和7921兩款硅脂，7868的導熱係數在溶劑揮發後達到了6.2W/m.K，比7921的6.0W/m.K更高，理論上7868的性能應該更好。

在紅圈標註的參數中，還有一項叫熱阻抗，在同樣厚度下，信越7868的熱阻抗是7.0mm².K/W，而7921隻有5.8mm².K/W，這說明了什麼呢？

這說明，1mm²大小、25μm厚的硅脂層，當傳輸1W熱量時，7868硅脂層上下表面的溫度差會達到7℃，而7921硅脂層的表面溫度差只有5.8℃。如果CPU功耗為200W，硅脂層面積為1060mm²，7868表面溫度差為7*200/1060=1.3℃，7921表面溫度差為5.8*200/1060=1.1℃。（為啥這麼計算，後面會講到）

從熱阻抗來看7921的性能表現是稍優於7868的，但7868的導熱係數不是更高應該更好些嗎？！！

其中最關鍵的問題在於，書本上不是說了導熱係數越高熱阻越低嗎，為什麼導熱係數更高的7868，它的熱阻也高了呢？

界面熱阻和接觸熱阻

要理解這個問題，先了解一下熱阻。

熱阻類似於電阻，它是熱量在傳遞時遇到的阻力，單位為K/W，表明1W熱量所引起的溫升大小。顯然熱阻越大，物體的導熱能力就越差，這和導熱係數正好相反。對於單一材料而言，熱阻R=L/(K*A），L為厚度，K為導熱係數，A為面積，當厚度和面積一定時，該材料的熱阻與導熱係數成反比。

熱阻的定義R=ΔT/Q，傅里葉定律Q=K*A*ΔT/L，所以 R=L/(K*A)

單位面積上的熱阻稱為熱阻抗，常用單位mm².K/W，其它面積單位可換算。

在多個材料組成的系統中，熱量流經不同材料之間的界面時會受到阻礙，這一阻力就是界面熱阻，界面熱阻定義為界面處的溫差與流過該界面的熱量之比。

如上圖所示，在CPU與散熱器之間填充著硅脂，CPU頂蓋(IHS)表面的溫度為T1、散熱器底座表面溫度為T2，從CPU表面流向散熱器底座的熱量為Q，那麼界面熱阻=(T1-T2)/Q，其實這也是熱阻的定義。

當熱流穿過界面（固體-固體/液體）時，在不同材料的交界面上（如CPU表面-硅脂、硅脂-散熱器底座的接觸面），通常會認為接觸面兩側的溫度是相同的，實際上接觸面兩個表面上的溫度是不相同的，也就是說存在著溫度降，這說明不同材料的接觸界面，存在著熱流阻力，這個阻力就是接觸熱阻。

所以，從CPU到散熱器的界面熱阻，其實是三部分組成的，從CPU IHS表面到硅脂層下表面的接觸熱阻，硅脂層自身存在的熱阻，從硅脂層上表面到散熱器底座表面的接觸熱阻，即：

界面熱阻 R_imp= 硅脂熱阻 接觸熱阻_下 接觸熱阻_上 = L/(K*A) R_con

R_con的上下表面的接觸熱阻之和

看到這兒，大概應該能明白，硅脂的導熱係數只能決定硅脂熱阻部分的大小，但整個界面熱阻還與硅脂層上下表面的接觸熱阻有關，信越提供的熱阻抗數值也正是指的界面熱阻抗，而非單指硅脂的熱阻抗。這也是為什麼導熱係數相同的硅脂，但它們的熱阻不一樣的原因。

對於硅脂而言，接觸熱阻與外力、基板材料表面粗糙度、硅脂的導熱係數和潤濕性能有關，與厚度無關，面對相同基板材料及相同厚度、面積時，接觸熱阻是固定的。

單位面積上的界面熱阻也就是界面熱阻抗（硅脂常用單位mm².K/W），從上面的公式可以看出，界面熱阻抗=L/K 接觸熱阻抗，對於同一硅脂和基體材料，界面熱阻和硅脂的厚度成線性關係。

信越提供了一份界面熱阻抗與硅脂厚度的關係圖表，可以分析一下：

熱阻抗與厚度的實際關係（界面熱阻抗=L/K 接觸熱阻抗，L厚度，K導熱係數）

直線斜率相同的表示它們的導熱係數相同（畢竟斜率的倒數就等於導熱係數，斜率=dy/dx），就看7762、7868和7921這三款，它們的斜率基本一樣，實際上導熱係數分別為6.0、6.2、6.0，基本一樣，但是相同厚度下的熱阻抗卻是不同的，當硅脂厚度L為0時，界面熱阻抗=接觸熱阻抗，也就是直線與Y軸的交點即為相應硅脂接觸熱阻抗的大小。

目前業界測試硅脂熱阻和導熱係數的主要方法之一ASTM D5470試驗標準就是基於這樣的原理的。

7921和7868硅脂在25μm厚時，界面熱阻抗分別為5.8mm².K/W和7.0mm².K/W，理論也可以計算出它們在該試驗條件下的接觸熱阻抗，7921的接觸熱阻抗=界面熱阻抗 - L/K = 5.8-25/6=1.63mm².K/W，7868的接觸熱阻抗=7-25/6.2=2.97mm².K/W，7868的接觸熱阻抗比7921明顯要高多了。

前面計算過只看導熱係數時，對於200W功耗的CPU，6W/m.K的硅脂比3.3W/m.K的能讓CPU更低2.1℃，咱們帶上接觸熱阻再算算，以信越7921和信越G-777為例，G-777的導熱係數正好為3.3W/m.K，在56μm厚時，它的界面熱阻抗為21mm².K/W，則其接觸熱阻抗=21-56/3.3=4.03mm².K/W，其它計算如下：

假設CPU功耗為200W，硅脂厚度為0.08mm，面積為1060mm²，那7921和G-779作用下的CPU溫度差有多少呢？

由於界面熱阻抗=(T1-T2)*A/Q，所以同一硅脂表面的溫度差=Q*界面熱阻抗/A=Q*(接觸熱阻抗 L/K)/A，所以：

7921的表面溫度差 = 200*(1.63 80/6.0)/1060=2.8℃

G-777的表面溫度差 = 200*(4.03 80/3.3)/1060=5.8℃

也就是說，7921對比G-777，能讓CPU再低3℃，算上接觸熱阻比只計算導熱係數帶來的優勢更明顯 (●"?"●)

硅脂的導熱能力，更取決於其熱阻大小

簡單來說，硅脂的導熱性能取決於它在實際操作條件下的界面熱阻，界面熱阻包含有硅脂本身存在的熱阻，這部分與硅脂的導熱係數及硅脂層面積成反比，與硅脂層厚度成正比；另外還有硅脂與兩個基體材料間的接觸熱阻，這部分取決於固體材料的粗糙度、硅脂的導熱係數、潤濕性能、外部壓力等。只有當硅脂比較厚時，接觸熱阻才可以忽略，但是作為一個小容差的TIM材料，硅脂的厚度通常都是μm級別，所以接觸熱阻的影響是存在的。

也就是說，硅脂的導熱係數很重要（請原諒標題黨），但它並不能完全決定該硅脂性能的好壞，熱阻（界面熱阻）能更準確的反應出該硅脂的導熱能力強弱，界面熱阻越小，導熱能力越大。

可惜目前能準確提供熱阻的硅脂比能準確提供導熱係數的更顯鳳毛麟角，但辦法總是有的，有興趣的同學可以關注我們的後續相關內容。

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