散熱膏的各種係數代表什麼?單看數據可以推估散熱效果嗎?本人見解提出

散熱膏通常會列出下列係數:

熱傳導率( thermal conductivity):在單位溫差下,[單位時間]通過[單位面積x單位距離]的熱量,
稱為該物質之熱傳導係數。
例:以厚度L之物質量測,則量測值要乘以L,所得之值是為熱傳導係數,通常記成k。
單位:W/m ° C

熱阻抗 ( thermal resistance,同一物體內):
根據熱力學的定義,
代表一物體阻止熱流通過的能力,其計算為物體之兩面間溫差除以通過的熱流功率。

例:一款鋁擠型鰭片,其設計目標是協助 30W 之IC散熱,一個面接觸熱源(IC),
一個面接觸冷空氣, 則其熱阻為『2端溫差/30W』;
若鋁擠型鰭片之熱阻愈大,則從熱源接觸面到散熱面之間的溫差也會愈大。
此值的單位為°C/W(也能變化成 m2‧℃/W、 ° C - in / W 、° C -m/ W........)

熱阻抗 ( thermal resistance,不同物體間):
(導熱膏廠是採用這個定義。)
熱能從A物體傳達到B物體,兩物體中間有一個接觸面,熱能通過這個接觸面的阻抗值也可被稱為熱阻抗。
從顯微鏡下觀察,兩物體的接觸面都是十分崎嶇不平的,真正接觸到的只有幾個『點』,
導熱膏能藉由增加接觸面積來提升傳導效率,進而降低兩物體的接觸面的熱阻抗。
(如下圖所示)
散熱膏的各種係數代表什麼?單看數據可以推估散熱效果嗎?本人見解提出


比重:寫好看的,不重要。
黏度:這就重要了,好不好施工就看這個係數。
工作溫度範圍:顧名思義,就是讓你注意一下這種散熱膏使否適用於當前的溫度,
因為溶劑有蒸發點、凝固點、閃燃點。

常見散熱材料之熱傳導率數值: (單位:W/m ° C )
天然鑽石:1800 
人造鑽石:10~100 
銀:429
銅:401
鋁:237
鐵:80.2
資料來源:維基百科
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%83%AD%E4%BC%A0%E5%AF%BC

這些定義和數據解釋了為什麼散熱膏塗的愈薄愈好,因為坊間的導熱膏熱傳導率實在低的難看,
即使號稱高品質,熱傳導率卻連10也沒有;
然而,在實際操作上,導熱膏若塗的過份薄,卻會讓導熱效果出不來,
這又是啥原因?
ANS:
塗的過薄,導熱膏無法完全將空氣擠出兩物體的接觸面,空氣的導熱能力又遠低於導熱膏。
(有興趣的人可以試試塗抹厚度比一張紙還薄時的情況。)

空氣混入導熱介面會嚴重妨礙熱的傳導,
黏度低的散熱膏便於塗抹,但真正的好處是流動性高,可以快速擠出空氣,減低空氣混入量。
有些網兄誤以為黏度高比較好,其實是一知半解的觀念。(或許是因為貴的黏度都較高)
因為不管你手藝再怎麼好,塗抹的過程空氣一定會混入,做過冰淇淋的一定能深刻體會。

黏稠度高的散熱膏只是"或許"能在相同溫度下有較長的有效工作時間,
其秘密在"溶劑"上,不同的溶劑有不同的蒸發點、凝固點、閃燃點。
這個"蒸發點"並非到這個溫度才會蒸發,而是到這個溫度才會"快速蒸發",
平時常溫下照樣蒸發。

有些產品聲明需要磨合期,這些標註要磨合期的產品都是黏度偏高的,
因此需要在高溫環境下利用導熱膏呈現流動性較高的狀態去"排氣"。

當溶劑蒸發到某個基準以下時,就會出現導熱能力明顯下降的情況,
原因是兩物體的接觸面在不同溫度時會隨時熱漲冷縮,有效的實際接觸點也隨之移來移去,
導熱膏必須隨時應對不同的間隙形狀去改變形狀,當流動喪失時,就無法做到全面積傳導。
※ 遇到乾裂的散熱膏,其實加幾滴溶劑下去又能瞬間回復功效。

目前的產品多為『固態微粒混入膠狀介質或黏稠液體』的作法,
成本是真的低,賣高價只是騙不懂材料學的盤子。

對人類幾乎無毒的、且對環境不會造成破壞的溶劑其實不多,
而滿足上述條件又低成本的溶劑可能不超過2種。

液態金屬導熱介質的成本是高一點,因為物理特性讓它的有效時間呈現半永久性,
但液態金屬導熱介質有"會導電、抓其它金屬的電子(讓其它金屬氧化)"的缺點。

熱變相的導熱貼片:
這東西常見於主機板、顯示卡、筆記型電腦上,過去的缺點是導熱性較導熱膏差,
優點是有效工作時間比導熱膏長;
在材料學不斷進步下,性能逐漸提升,目前已經有導熱性、有效工作時間均強於導熱膏的產品,
例如:PTM7950
這東西的生產成本也不貴,但在消費端的價格一直沒變便宜過。

=====散熱片的表面與灰塵=====
空氣中有太多微粒(石系、金屬系、植物碎纖維、動物皮屑毛髮、油脂、橡膠、塑膠....),
散熱片表面的附著力也不是0,所以微粒很快的就會沾滿散熱片表面,
微粒的熱阻抗、熱傳導率先不討論,但光是灰塵和灰塵之間形成的空腔就會讓熱的傳導大打折扣。
(這點解釋了為什麼灰塵是散熱大敵,所以要時常清理灰塵)


單看導熱產品廠商公佈的數據可以推估散熱效果嗎? 
我覺得不準,因為:
1。廠商的測試環境、儀器不一。(黑心廠商會唬爛)
2。黏稠度和使用者的手藝程度
3。沒有公佈在甚麼溫度下的有效工作時間長度。(導熱效果會隨溶劑揮發程度而下降)
4。其它
都會影響到實際效果。


=================後記====================
2008年時,坊間高品質的導熱膏多以『銀』為主打,其實銀的含量都很低。
而且生成硫化銀或其它銀的化合物時,導熱性也會大減。
那個時期還有出現以『鑽石微粒』當噱頭的導熱膏,
天然鑽石的導熱效果優秀、絕緣度也很好,但是標榜採用奈米鑽石的導熱膏為何效果不彰?
我推估原因就出在『天然鑽石微粒』的佔比太低,或是採用導熱性太差的人工鑽石。
2008-05-07 16:52 發佈
沒想到2008年的文章還會被人瀏覽,並給了我3分,
為了對得起這個突然來到的3分,
於是我對文章做了修改,並加上了圖。

===為何導熱膏必須保持濕潤度? 因為要隨時隨溫度調整"形狀"===
https://www.mobile01.com/topicdetail.php?f=502&t=6998796

=== 導熱膏可以混用 ===
以磨合期很長的AS5為例,可以混高流動性的導熱膏,
折衷優缺點。

AS5:Y500=1:2~1:4
幾乎感覺不出磨合期,且很容易塗,
溫度方面,和純AS5相比,就只差那1~2度,
一年後拆卸下來看,導熱膏的狀態與剛塗時相差無幾。
原因是AS5、Y500用的溶劑不同,2種溶劑的揮發速度不同;
而兩種導熱膏裡的導熱粒子又能在2種溶劑內游移。
當容易揮發的Y500的溶劑跑光了,還會剩下AS5的部份溶劑。

大家都說Y500放久會出油,這是真的,
原因是受重力的影響,導熱粒子在溶劑中逐漸沉澱了。
出油的時間點和出廠多久、保存溫度、常不常攪動有關,常去攪動可以不出油,
出油也別擔心,表面的油不用倒掉,攪一攪又會讓溶劑回到導熱粒子之間。

我早期混過3個牌子,AS5 + Y500 + 南實 hsc-g(號稱可用10年),
在我混完之後,大約放了5年才出油。
此後有入手甚麼號稱高性能的導熱膏也繼續混入,目前已經不知混了多少種,
使用起來一直都沒有問題。

在多種導熱膏中,只有 Y500 等極少數敢號稱無毒性,
無毒性的有容易變乾的共通點,對比多方文件並實驗過後,
基本上確定採用的溶劑是矽油。

在我對溶劑做過些許研究後,發現稍微耐用幾年的溶劑全是微毒性~中毒性,
不能接觸到眼睛、呼吸道、口腔。
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