電子產(chǎn)品熱設(shè)計之導(dǎo)熱機理分析
在電子產(chǎn)品熱設(shè)計中,空氣、非金屬固體和金屬合金是最常用的材料。從微觀上看,不同形態(tài)的物質(zhì)其導(dǎo)熱機理是不同的,因此,其導(dǎo)熱系數(shù)的變化也各有其特點。物體的導(dǎo)熱系數(shù)與物質(zhì)種類、材料成分、及熱力狀態(tài)有關(guān)(溫度,壓力(氣體)),與物質(zhì)幾何形狀無關(guān)。一般說來,金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大,非金屬次之,液體的較小,而氣體的最小。
導(dǎo)熱系數(shù)表征物體導(dǎo)熱能力的強弱,是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一。所有的物體都具有導(dǎo)熱系數(shù)這一性質(zhì),不同的物體,只是導(dǎo)熱系數(shù)有大有小。顯然,對于導(dǎo)熱能力強的物體,其導(dǎo)熱系數(shù)高,而導(dǎo)熱能力差的物體(通常用來實現(xiàn)絕熱、保溫等功能),絕不是不存在導(dǎo)熱系數(shù),而是導(dǎo)熱系數(shù)較低。即使對一個理想的絕熱物體,也只不過是其導(dǎo)熱系數(shù)為0 W·m-1·K-1。
固體內(nèi)部的熱量通過自由電子的遷移和晶格的振動波傳遞。晶格振動的傳遞在文獻中常稱為彈性聲波,當(dāng)視為類粒子現(xiàn)象(particle-like phenomenon)時,晶格振動子又被稱為聲子(phonons),聲子是彈性聲波能量量子化的的表示??梢?,固體中的促成導(dǎo)熱的能量載流子(energy carriers)包括自由電子和聲子,其導(dǎo)熱過程是自由電子和聲子共同作用的結(jié)果。在純金屬介質(zhì)中,自由電子的遷移對導(dǎo)熱的貢獻占主要地位,而在半導(dǎo)體和絕緣體中,聲子的貢獻占主要地位。
在純金屬中,導(dǎo)熱主要源于自由電子的定向遷移。當(dāng)溫度上升時,晶格振動波加強,自由電子的無規(guī)則熱運動增多,這都會干擾自由電子的定向移動。因此,純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)通常隨溫度的上升而降低。在半導(dǎo)體和絕緣體中,由于導(dǎo)熱主要取決于晶格振動波的傳遞,升溫會強化這一傳遞過程,故而其導(dǎo)熱系數(shù)通常隨溫度的上升而提高。不過,在電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域的常見溫度范圍內(nèi)(230 K ~ 400 K),大多數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化幅度并不大。另外一個值得注意的點是,在晶格振動傳遞對導(dǎo)熱做主要貢獻的物體中,晶格排列的規(guī)則性對導(dǎo)熱系數(shù)由關(guān)鍵影響,晶體材料(晶格有序排列,如石英)的導(dǎo)熱系數(shù)要比非晶體材料(如玻璃)高。一些晶體非金屬材料(如金剛石1300-2400 W·m-1·K-1,氧化鈹200-250 W·m-1·K-1)的導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)(遠(yuǎn)遠(yuǎn))超越了某些純金屬。
雖然同樣屬于流體,液體的分子運動狀態(tài)比氣體復(fù)雜很多。目前,并沒有一個完善的可以解釋液體導(dǎo)熱率的物理理論。通常,非金屬的導(dǎo)熱率隨溫度的升高而降低,但甘油,尤其是熱設(shè)計中非常常用的水并不遵循這一規(guī)律。從下圖可以看出,水的導(dǎo)熱率隨溫度升高是先升高后降低。在電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域的常見溫度范圍內(nèi)(230 K ~ 400 K),液態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)可視為隨溫度的上升而上升。
本文在論述中討論的物體的導(dǎo)熱系數(shù)都是各個方向尺寸均遠(yuǎn)大于物體內(nèi)部能量載流子的平均自由程的基礎(chǔ)上的。當(dāng)某方向尺寸達到微米甚至納米尺度時,還需要考慮邊界效應(yīng)對導(dǎo)熱產(chǎn)生的影響。
參考文獻:
楊世銘,陶文銓:傳熱學(xué),第四版;
Theodore L Bergman,etc. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th edition
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