熱伝導率とは何ですか?

熱伝導率は、材料全体に温度差がある場合に、材料内を熱がどのように移動しやすいかを示す特性です。記号は k または λ で、標準単位は W/(m・K) です。材料の k 値が高い場合、熱は材料を速く通過します。 kが低いと熱の移動が遅くなります。

私は建物の断熱材とヒートシンクの設計に 15 年を費やしてきましたが、誰かが何の脈絡もなく「熱伝導率」について議論するたびに、舌を噛まなければなりません。{0}データシートの数値は、実験室の完璧な条件下で測定されています。実際のシステム内の実際の部品では、それらの正確な状態が確認されることはほとんどありません。

ラボ値と実数部

実験室の熱伝導率は、完全な接触圧力と空隙がない、平坦で清潔で欠陥のないサンプルで測定されます。{0}現場では、表面の粗さ、酸化層、接触圧力の変動があり、多くの場合、有効な導電性を損なう薄い空気膜があります。銅製ブロックは教科書では 400 W/(m²・K) と表示されているかもしれませんが、2 つの銅製ヒートシンクを 2 MPa の圧力でボルトで固定すると、幸運にも界面で 50 000 W/(m²・K) が表示されます。

金属

純銅は室温で約 401 W/(m・K) です。無酸素 C10100 は数ポイント高く、市販の C11000 は数ポイント低くなります。{2}}アルミニウム 6061 は、焼き戻しに応じて 167 ～ 180 W/(m·K) になります。. 6063 は押出成形されており、結晶粒構造がよりよく揃っているため、通常は 200 ～ 210 です。純銀は約 430 ですべてを上回りますが、いくつかの RF キャビティ以外では誰もそれを使用しません。

人々を驚かせる非金属-

ダイヤモンド（CVD または単結晶）は 1000～2200 W/(m・K) で動作します。-お金に関係ない場合は、レーザー ダイオード サブマウントや GaN HEMT ゲートに使用しています。{4} -面内のグラファイト（熱分解シートまたはグラフェン シート）は、面に沿って 1500 ～ 2000 に達し、垂直方向では 6 に低下します。この異方性があるため、携帯電話のグラファイト ヒート スプレッダーの向きに注意する必要があります。

セラミックスとフィラー

窒化アルミニウム (AlN) は、量産グレードで 170 ～ 220 W/(m・K) です。酸化ベリリウムは 250 ～ 300 でしたが、ほとんどの場所で禁止されました。窒化ホウ素 (h-BN) プレートレットは、ポリマー内で整列すると、-面内に 300～600 個、おそらく面内に 30 個の-}個を与えます。普通のアルミナ (Al2O3) はわずか 30 ～ 35 ですが、安価で誘電性があるため、LED 基板の 90 % で今でも使用されています。

ポリマーとグリース

未充填のエポキシまたはポリウレタンは 0.2 ～ 0.3 W/(m・K) です。 70 vol% のアルミナまたは窒化ホウ素をロードすると、2 ～ 4 W/(m・K) を押すことができます。 Digi-Key から購入するサーマル パッドは通常 1 ～ 8 W/(m·K) の大きさですが、本当のボトルネックは各面の接触抵抗です。相変化材料は 3 ～ 5 から始まり、液体金属 (ガリウム) 界面は混乱を許容できる場合は 30 を超える可能性があります。

ヒートシンクのサイズを決めるときに実際に使用する一般的な値

結論: バルク K 数は話の半分にすぎません。通常、接触抵抗、表面仕上げ、取り付け圧力、および温度依存性が、CPU スロットルまたは IGBT の寿命を決定します。

私は常に、ファーストパス設計でラボの数値を少なくとも 30 % 引き下げてから、ベンチで実際のジャンクション温度を測定します。-それ以外のものはフィールドリターンを求めています。