1.2 材料的熱導率、比熱和密度
1.2.1 Flomerics 標準材料庫
1.2.2 鋁合金
來源1：Aluminium Gusslegierungen , Gießerei Verlag, Düsseldorf 1988 (5. Ed.)
1.2.3 不銹鋼
1.2.4 硅（Si）
來源: C. Lasance: Electronics Cooling Magazine 4(2), 12 (1998)
硅的熱導率
硅是半導體行業(yè)中最重要的材料。在處理電－熱器件仿真，或者闡述對于熱阻抗測量的快速瞬態(tài)技術時，都需要精確的硅隨溫度變化的熱導率值。然而對于板級或系統(tǒng)級的穩(wěn)態(tài)分析不需要非常精確地熱導率，因為此時硅在整個系統(tǒng)中的影響非常有限。
值得引起注意的是，在不同的資料和手冊中硅的熱導率(W/mK)被定義為68.8, 83.7, 100, 125, 140, 153.46, 157等不同的數(shù)值，而且往往在不明確溫度的情況下推薦一個值。還有一些文章認為在溫度為100℃的情況下，硅和純度為98％硅的熱導率為145。在這些文章中對硅熱導率隨溫度變化的關系進行了詳細的描述，并且被劃分為兩類，兩者之間的差異在5％之內。
并且提出了一個非常有用的公式，可以用來計算出兩條曲線之間的值：
不愿意使用熱導率隨溫度變化的工程師應該精確的估計一下硅的平均溫度，并且通過上式來計算相應平均溫度下硅的熱導率。以往的經(jīng)驗表明，含雜質較高硅的熱導率可以按不含雜質硅熱導率的80％來計算。
Flotherm 材料庫中對不含雜質的硅以T＝100℃為基礎進行了線性擬合：
Value＝117.5 W/mK
Coeff＝－0.42（W/mK）/K
Tref＝100℃
注意：這是一個斜率為負的線性函數(shù)，所以當溫度在117.5/0.42+100=380 ℃以上的時候，熱導率 將成為負值。負的熱導率對于傅里葉方程而言無異于一個災難，這可能會引起求解過程中殘差值的發(fā)散和劇烈振蕩。舉一個可能出現(xiàn)的例子，硅芯片需要散發(fā)大量的熱量，當進行第一次迭代的時候，這個溫度超過了380℃。即便在實際情況中隨后可能由于強迫對流的冷卻，使硅芯片的溫度降低，但對于仿真計算而言這就顯得太晚。
技巧：如果你使用不含雜質的硅（經(jīng)常出現(xiàn)在Flopack詳細的元件中），可以嘗試采用第一次熱導率不隨溫度變化，當?shù)谝淮蔚曛笸Ｖ褂嬎悖D換到熱導率隨溫度變化。對于砷化鎵可以采用相同的方法。
1.2.5 熱導率隨溫度變化的純金屬
來源：C. Lasance: Electronics Cooling Magazine 5(1), 12 (1999)
純金屬熱導率
正如我們所知道的，熱導率的測量是比較困難的。最關鍵的是個別的研究員宣稱正常情況下測量精度在2％之內，但在實驗室其他研究員的循環(huán)測試中，他們之間的測量結果要相差15％以上[1]。即便對于純金屬的測量也很難避免此類情況的發(fā)生。
舉個例子：大約在40年以前，所公布的關于鎳和鎢熱導率的數(shù)據(jù)變化就很大。假設在計算航空器外表熱保護罩厚度的時候采用了錯誤的鎢熱導率，那么所造成的后果相當嚴重。之所以熱導率在這些“早期”的文獻中差異很大，主要的原因可能在于金屬的雜質含量，因為金屬雜質含量對熱導率影響很大。人們在尋求最可靠的數(shù)據(jù)時往往會考慮Touloukian等人的相關書籍[2]。
純金屬的熱導率隨溫度變化的關系比較復雜，但在我們所感興趣的范圍內（0－200℃），其熱導率一般隨著溫度的升高而輕微的下降。可能除了鎳、錫、鎢之外，在實際情況中其它純金屬熱導率隨溫度的變化都可以忽略。下表羅列了電子散熱行業(yè)內最常用純金屬在三種不同溫度下的熱導率值。
參考文獻：
1. Hulstrom L., Tye R., Smith S., Round Robin Testing of Thermal Conductivity Reference Materials, in Thermal Conductivity, vol.19, Plenum Press, 1988, pp. 199-211.
2. Touloukian Y. et al. (ed.) Thermophysical Properties of Matter, IFI/Plenum, 1970.
3. Beaton C., Hewitt G. (ed.), Physical Property Data for the Design Engineer, Hemisphere, 1989.
1.2.6 氧化鋁
來源：C. Lasance: Electronics Cooling Magazine 5(2), 14 (1999)
氧化鋁熱導率
氧化鋁（Al2O3）是電子行業(yè)中非常重要的陶瓷材料。除了作為硅的鈍化層之外，陶瓷材料經(jīng)常用作鈍化膜元件和小PCB板子的載體。特別是與FR4基板材料相比，不僅僅價格低廉而且熱導率更高。其它諸如氧化鈹和氮化鋁等陶瓷材料雖然具有更高的熱導率，但是它們的價格相對更高。因此設計工程師對氧化鋁的熱導率非常感興趣。然而我們必須注意到，我們不建議采用電子散熱文章中所羅列的氧化鋁熱導率。只要我們觀察下圖就知道原因了，下圖表明氧化鋁熱導率是溫度和純度的函數(shù)。溫度和純度對熱導率的影響非常明顯，所以氧化鋁采用固定熱導率值的準確性值得商榷。
換而言之，關注你的氧化鋁熱導率數(shù)據(jù)來源。如果軟件支持，建議采用熱導率隨溫度變化的形式。如果軟件不支持，可以估計一下氧化鋁所處的工作溫度。雖然很多為電子工程師提供的重要材料表中的氧化鋁熱導率是在室溫下的，但我們并不建議采用。
1.2.7 III-V半導體材料的熱導率
來源：J. Wilson: ECM 12 (1) (2006)
Semiconductor Thermal Conductivity (W/m-K) at ~300K
Gallium Arsenide (GaAs) 52
Indium Phosphide (InP) 68
Gallium Nitride (GaN) 130
Gallium Phosphide (GaP) 110
Indium Nitride (InN) 45 measured,
175 theoretical
1.2.8 電子封裝行業(yè)常用合金熱導率
來源：J. Wilson: ECM 13(1) (2007)
Property Thermal Conductivity
(W/mK) @25℃ CTE (ppm/℃)
@25℃
Copper 395 17.1
Aluminum 200 23.5
1.2.9 電子封裝材料
來源：M. Ryals: “Graphite fiber reinforced Al and Cu alloys for thermal management applications” ECM 5(1), 42 (1999)
1.2.10 復合材料
來源：C. Lasance: ECM 6 (1), 31(2000)
1.2.11 焊料
來源：J. Wilson: ECM 12(3), (2006)
1.2.12 引線框架材料（Lead Frame Material）
來源：C. Lasance: “Thermal conductivity”, Electronics Cooling Magazine 3 (1) (1997)
對絕大多數(shù)電子系統(tǒng)進行熱分析時，都要涉及到固體材料的熱導率。許多設計工程師都希望得到一份全面的材料數(shù)據(jù)，諸如：PCB、引線、模塑料、合金等材料。這一問題在于供應商能否提供45種引線材料數(shù)據(jù)。當然這樣一個表格很難獲得，而且一部分材料已經(jīng)退出了市場。
應當強調的是數(shù)據(jù)的精確性往往不能得到很好的保證。人們沒有意識到材料熱導率的測量也是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。大量的文獻中通過建立標準的實驗室進行驗證，從而表明測量存在差異。
除此之外，我們通常不知道供應商是如何計算得到這些數(shù)據(jù)的。當精確預測溫度是分析的主要目的時，建議按實際情況進行測量，并且應用各種不同的已知邊界條件。
1.2.13 Al2O3 和 LTCC材料
來源：B. Rosner: „Wärmeleitfähigkeit von LTCC mit thermischen Vias“, PLUS (1999) Heft 6, 767
1.2.14 陶瓷基底
來源：A. Roosen: "Entwicklungspotentiale keramischer Substratwerkstoffe", PLUS (2000) Heft 5, 802
1.2.15 聚硅氧烷（Silicone）和橡膠
聚硅氧烷（Silicone）不是硅（Si），而是一種人造橡膠（橡膠硅脂）用于填充墊。常用的聚硅氧烷（不含特殊的導熱強化顆粒）值為：
k=0.2 W/m K, ?=1000 kg/m³, C=1250 J/kg K
（來源：Wacker Chemie, Silikon-Hotline）
來源：C. Lasance: Electronics Cooling Magazine 7 (4), p. 10 (2001)
1.2.15 聚硅氧烷（Silicone）和橡膠
聚硅氧烷（Silicone）不是硅（Si），而是一種人造橡膠（橡膠硅脂）用于填充墊。常用的聚硅氧烷（不含特殊的導熱強化顆粒）值為：
k=0.2 W/m K, ?=1000 kg/m³, C=1250 J/kg K
（來源：Wacker Chemie, Silikon-Hotline）
來源：C. Lasance: Electronics Cooling Magazine 7 (4), p. 10 (2001)
1.2.17 導熱襯墊（Thermal Pad）
制造商的數(shù)據(jù)
在以后的章節(jié)中會對導熱襯墊的熱阻做更詳細的討論。
1.2.18 非晶聚合物（Amorphous polymeres）
其它常用的塑料數(shù)據(jù)：http://www.keim-kunststoffe.de/d/service/datenblaetter.pdf
1.2.19 純晶體聚合物（Non-amorphous polymers without inclusions）
來源：J. Rantala: “The anisotropic thermal conductivity of plastics “ ECM 7 (2), p. 22 (2001)
一種增加塑料熱導率行之有效的方法是改變聚合物的分子排列。在塑料零件和薄膜的生產(chǎn)過程中，分子鏈的排列在拉伸過程中發(fā)生改變，從而加強了其機械強度。這個拉伸過程也使分子的排列朝著拉伸的方向發(fā)生變化。甚至可以形成3維的非等向性熱導率，并且這一熱導率可以隨著分子的結構和拉伸率發(fā)生變化。通過控制拉伸的方向可以產(chǎn)生某種在某一方向絕熱但其它方向導熱的材料。
塑料的熱導率與聚合物的結晶度有著很大的關系。其原因是聚合物的熱導率實質是分子傳輸，分子傳輸主要是沿著結晶度軸線的方向，而在其它方向上由于存在發(fā)散過程，所以大大削弱了分子傳輸?shù)哪芰ΑＯ耦愃朴谠谝恍┚垡蚁┌刖w聚合物中，平行于拉伸方向的熱導率會急劇增加，但垂直于拉伸方向的熱導率會略微減小。
數(shù)據(jù)顯示對于具有拉伸率為25的聚乙烯，可以在拉伸的方向上獲得8.5～14 W/m K的熱導率。這一熱導率值已經(jīng)接近不銹鋼。在垂直于分子鏈拉伸方向上的熱導率只有平行方向的1/60。對于PVC、PMMA、PS、PC等非晶體聚合物，它們的非等向熱導率仍然很低，大約小于3 W/m K。
1.2.20 強化熱導率的塑料（Plastics with enhanced conductivity）
1. 通過加入金屬和陶瓷聚合物可以提升其導熱性能。在確定的方向注射入非球形包含物,從而產(chǎn)生各向異性熱導率。在確定的方向上熱導率可以達到15 W/m K。
Flotherm資料下載: 使用Flotherm進行電子散熱仿真過程中涉及的物理學原理.pdf
標簽： 點擊： 評論:
