纳米涂层散热片介绍

制作：李志刚器件工程部日期：2015-10-13纳米涂层散热片介绍一.传统散热片的工作原理二.纳米涂层散热片工作原理及优势三.各厂家的技术特点及加工工艺介绍四.纳米涂层散热片种类及应用案例五.纳米涂层散热片标准化和选型六.其它注意事项器件工程师、硬件工程师、热设计工程师、成本工程师2小时李志刚使器件工程师、硬件工程师、热设计工程师、成本工程师了解纳米涂层散热片的技术和性价比优势，以便推广使用。培训目的培训对象培训讲师学习重点培训课时一、传统散热片的工作原理1.几个概念1.1热传递的三种方式：热传导、对流、热辐射。对流:对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。具体应用到实际来看，热对流又有两种不同的情况，即：自然对流和强制对流。热辐射:热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就是以波的形式达到热交换的目的。一、传统散热片的工作原理一、传统散热片的工作原理热传导:物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言，热传导方式局限于固体和液体，因为气体的分子构成并不是很紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散。导热系数：是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1秒钟内（1S），通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为K可用℃代替）。一、传统散热片的工作原理常见金属的导热系数表金属化学符号相态热传导系数（W/mK）铁Fe固80铜Cu固401银Ag固429金Au固317铅Pb固34.8石墨/碳C固129铝AL固2371070型铝合金固2261050型铝合金固2096063型铝合金固2016061型铝合金固155由此可以看出，银和铜是最好的导热材料，其次是金和铝。但是金、银太过昂贵，所以，目前散热片主要由铝和铜制成。但由于铜密度大，工艺复杂，价格较贵。一、传统散热片的工作原理1.2比热容又称比热容量，简称比热(specificheat)，是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量。通常用符号C表示。比热容与物质的状态和物质的种类有关。金属化学符号相态比热容（J/Kg.℃）钢混固450铁Fe固450黄铜Cu,Zn固380铜Cu固385银Ag固235汞Hg液139铂Pt固135金Au固129铅Pb固125石墨/碳C固710铝AL固880一、传统散热片的工作原理传统铝挤散热片：在考虑材质的时候除了导热系数外，还须考虑散热器的热容量，综合这两项参数，铝的优越性就体现出来。所以，导热材料一般采用铝合金。其特点是体积大、质量重，比热容大，热传导佳。但铝挤结构和铝材料本身特点，决定了其另外两个热传递方式--对流、热辐射效果较差，散热片本身大量的热能散不出去。2.散热片工作原理结合铝本身的特点（纵向热传导能力较强，但横向的热辐射能力较差），而分析石墨/碳刚好是横向的热辐射能力强，期望导入一种铝材和纳米碳结合起来的复合型散热片。这是一种散热型纳米涂料与铝型材经UV固化的新型散热介面材料，它基于石墨的短板，提升纵向的导热系数，并充分利用碳原子的热辐射优势，让整个导热过程变得更顺畅，效果更好。这种新型散热片在纵向导热系数达到260，横向上达到400~450，并且在表面上增加热辐射能力。二、纳米涂层散热片工作原理及优势1.导入构想二、纳米涂层散热片工作原理及优势纳米涂层散热片：导热材料一般采用铝合金，将μm厚度级别的纳米碳材料均匀涂布于铝合金基材上，领用碳原子间(5300W/m·K)的高导热效能，进行热传导，再藉由碳原子高热辐射效能，将热能转换为红外线射频，传递散热效能。其表比热容一般，但面积大、质量轻，热传导、对流、热辐射均极佳，整体散热效果相对传统铝挤散热片大幅提升。2.纳米涂层散热片工作原理二、纳米涂层散热片工作原理及优势3.纳米涂层散热片优势---外形结构简单、轻薄、易加工散热片表面的纳米涂层，耐高温、耐腐蚀，附着力强。分别有要求厂家做对应的可靠性测试，并提供对应报告。1.纳米涂层散热片充分利用了铝的高热传导性和纳米碳的高热辐射性，使散热效果更佳。2.纳米涂层散热片，加工更加环保，化学物品循环利用，从而避免有害的化学物或气体的排放。3.纳米涂层散热片的外形结构简单，加工工艺更简单，使用铝型材更少，预计年节省铝型材20000000*20克*60%=240吨以上，整体比传统的铝型散热片更加节能、减排。4.纳米涂层散热片的铝材大大减少（平均减少60%以上），使散热片整体成本下降，平均能降20~30%预计年节约15KK*0.10（平均价差）=150万以上；二、纳米涂层散热片工作原理及优3.纳米涂层散热片的优势---性价比高、更加节能减排二、纳米涂层散热片工作原理及优势小结：两者优劣势比较传统铝挤散热片纳米涂层散热片外形结构铝挤立体，齿形状，铝型材使用较多，质量较重片状，两边折起，结构简单，铝型材使用较少，质量较轻环保方面有阳极氧化（电镀）工艺，会产生液体或固态化学废品，不会排放有毒废气。有电泳工艺，其中液体或固态化学物品循环使用，不会排放任何形态的有毒物质。节能方面耗材多、材料重，材料加工、产品运输能耗相对更大耗材少、材料轻，材料加工、产品运输能耗更少性价比热对流、热辐射能力较差，散热效果一般，而材料成本相对较高，整体性价比低热传导、热对流、热辐射能力均发挥极致，散热效果佳，成本相对较低，整体性价比更高纳米涂层散热片各厂家情况对比公司名称潢填科技中科智恒艾新科技术专利情况实用型技术专利证书（纳米碳涂料配方和加工工艺）发明技术专利证书（纳米碳涂料配方和加工工艺）实用型技术专利证书（纳米碳涂料配方和加工工艺）工厂情况目前工厂在台湾，大陆地区没有。工厂，规模相对较大（参考公司简介）。后续规划在东莞设成品加工厂。东莞有成品加工厂，涂料也在东莞生产。工厂规模相对较小（实地考察）东莞有成品加工厂，纳米涂料从台北空运。工厂规模相对较大（实地考察）。关键工艺（涂料上铝板）喷涂工艺：将纳米涂料（液态）喷在金属表面，然后高温烘烤，固化成型。水性电泳工艺：将纳米涂料溶在液体里，金属表面通过表面压差吸附，然后高温烘烤，固化成型。喷涂工艺：将纳米涂料（固态）喷在金属表面，并用离子吸附，然后高温烘烤，固化成型。三、各厂家的技术特点及加工工艺介绍四、纳米涂层散热片种类及应用案例纳米涂层铜箔/铝箔系列：分A、B款1.纳米涂层散热片种类四、纳米涂层散热片种类及应用案例2.纳米涂层（铝/铜箔）散热片应用案例纳米涂层散热片方案A款(0.15mm)A款A款规格裸机测试纳米涂层散热片环境温度25.6℃27.5℃外壳T1温度63.7℃50.3℃外壳T2温度61.8℃50.9℃外壳T3温度57.8℃50.3℃IC温度114℃69.8℃四、纳米涂层散热片种类及应用案例纳米涂层散热片A款(0.15mm)、B款(0.16mm)A款B款规格裸机方案一环境温度26.8℃26.4℃后壳温度52℃43.4℃后壳上升温度25.2℃17℃后壳降温幅度---8.2℃2.纳米涂层（铝/铜箔）散热片应用案例四、纳米涂层散热片种类及应用案例纳米涂层铝材系列：铝板厚度0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0mm等1.纳米涂层散热片种类原机散热方案：25*25*4mm铝挤纳米散热片：25*39*0.35mm纳米碳铝箔四、纳米涂层散热片种类及应用案例2.纳米涂层（铝板）散热片应用案例四、纳米涂层散热片种类及应用案例2.纳米涂层散热片应用案例传统铝挤65*50*8mm原铝挤65*50*8mm纳米涂层48*48*2.3mm环境温度/℃19.119.4主控IC温度76.971.1主控IC温升57.851.7IC降温幅度---6.1纳米涂层48*48*2.3mmD-Link的PLC产品（项目名称PI699EA.1R199A-3）之前使用普通的铝挤散热片，使用更改结构后的新型纳米涂层散热片，最终使主芯片温度下降1~2℃，且原材料大大减少，成本也由5.7元降到1.6元。变更前信息：物料编码：507000000318物料重量：10g物料单价：RMB5.7芯片温度：104℃变更后信息：物料编码：507000000424物料重量：4g物料单价：RMB1.6芯片温度：102℃传统铝挤散热片新型纳米涂层散热片四、纳米涂层散热片种类及应用案例2.纳米涂层散热片应用案例五、纳米涂层散热片标准化和选型纳米涂层散热片的几个特点：1.散热片的热容量与其底材（铝材）厚度成正比，但与其成本成反比；2.散热片的热辐射与其表面积成正比，但与其成本成反比；3.散热片的热辐射重叠时，热辐射效果差；且热空气的对流与重力和外壳的开孔方向等有关；4.芯片的瞬间峰值温度，需靠散热片的比热容来解决。即，铝板材越厚，散热片的比热容越大，对印制瞬间峰值温度越有效。五、纳米涂层散热片标准化和选型基于以上几点，后续对纳米涂层散热片的标准化和选型方向为：1.铝板材的厚度，尽量追求高性价比。先规划0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm等厚度，其中优先推荐的厚度1.0mm；散热片要求高时，可选用1.5或2.0mm；有其它特殊散热要求的，根据实际情况而定。2.结构成型方面，尽量追求外形简易、加工简便。15mm*15mm以下尺寸的，直接采用平面铝板结构；20mm*20mm以上尺寸的，平面铝板两边90度折起为优先；散热片要求高时，可两边90度折起后再单边折1/4，不推荐可四边90度折起；有其它特殊成型要求的，根据实际情况而定。3.固定方式，尽量采用导热膏固化方式。如果一定要固定到PCB上，采用弹簧销钉方式（成本最低、组装方式最简单）。温馨提示：新项目选型打样时，需求人不可直接联系厂家打样，须先经过器件工程师审核、统一安排，同时需提供对应芯片的功耗参数。原因有：1)器件工程师需审核散热片的规格是否符合标准化；2）器件工程师需均衡各厂家打样次数和费用，进行滚动打样。六、其它注意事项散热片与芯片之间的导热介质，其导热系数、热阻等直接会影响到整体的散热效果。常见的有导热胶、导热硅胶等。导热胶：膏状物，厚度薄，热阻低，可快速固化，能起到固定散热片作用，不易拆卸；其导热系数可以达到0.8W/(m·K)，使芯片与散热片接触更加充分。六、其它注意事项导热硅胶：软胶状，厚度与热阻成正比，易拆卸，需要通过第三方固定；导热系数可有1.0、2.0、3.0W/(m·K)等之分，使芯片和散热片间接触更加充分。导热硅胶使用时，需要注意保持20~30%左右的压缩量，确保其散热性能。建议：尽量使用导热胶，不仅整体成本优，而且因导热胶应用较薄，热阻低。同时要求，涂装导热胶时，需均匀、尽量薄。交流、探讨1、标准化统一、选型打样方面的建议？2、产品热设计、热仿真方面，如零件布局、外壳开孔方向等建议？3、散热片的固定方式、外形结构等建议？4、散热片替代验证方案的建议？谢谢各位!