刮掉您散热器上膏膏

我在铝制散热器上的抹散热膏差不多已经有 50 年了。我第一次使用散热膏可以追溯到 1970 年,当时我在为我妈妈组装一台 Heathkit® 微波炉。这台微波炉的磁控管电源有一个很大的 12,000 伏特、1 安培二极管模块,我必须在该模块的底部涂抹散热膏,然后再将它固定到微波炉的重金属底座上。在那个年代,你不仅能够修理微波炉,还可以使用套件组装微波炉,这样做成本比较低。当时 Heathkit® 微波炉的售价是 399.95 美元。而组装好的微波炉价格则要高许多。

微波炉套件的包装箱体积很大,而且非常笨重(97 磅),最好的方法似乎是从肯塔基州路易斯维尔驾车到密歇根州本顿港,在 Heathkit 工厂取到微波炉,装到我母亲的 1967 年 Pontiac Catalina 旅行车上,第二天再开回家。那时我刚拿到驾照,可以想像这个方法似乎更合情合理。

往返奔波!

前面这两段都是一些陈年旧事。本顿港的 Heathkit 工厂和展厅很久之前就已经关闭。2010 年 10 月 31 日,Pontiac 公司停止了运营,不再制造 Catalina 旅行车或其他任何汽车。现在你也不能用套件组装微波炉了,当然你也不会想这样做,因为工厂生产的新款微波炉非常便宜。

然而,我们仍然在使用散热膏,但与 50 年前同样使用不便。它是白色的胶状物,似乎能够涂在任何东西上。我们之所以仍在使用散热膏,是因为它还能发挥作用。事实上,随着电脑中的高功率微处理器问世,散热膏已在不经意间变成一种用于电子产品的神秘高级物质。作为特殊的高性能导热膏,它们的名称中被冠以“克拉”、“钻石”、“银”等富有色彩的字样,而电脑游戏玩家和处理器超频用户不断地研究和热烈探讨这些产品,尝试让他们的芯片能以可能的最高时钟速率和最低工作温度运行。

所以,这有什么好讨论的呢?为什么我们仍然需要散热器呢?我们先看两个相互紧贴的金属表面(图 1)。一块金属代表半导体组件,另一块代表散热器。热量可在两个表面之间的机械界面很好地传导,只要这些表面平坦且相互接触,但实际的表面绝非真正平坦。即便对两个表面进行了打磨,就像认真的超频用户经常做的那样,它们之间仍旧存在着微小的空隙。在地球上,这些空隙始终会充满气体,当存在气隙时,由于空气是热绝缘体,热量就无法很好地传导。在太空中,这些空隙由真空填充,而真空是非常好的绝缘体。想一下保温瓶,正是使用真空作为热绝缘体。

图 1:当金属表面贴合时,热量很容易地传导,而当存在气隙时,热量就无法很好地传导。(图片来源:Parker Chomerics

在我亲身体验之前,散热膏已经使用数十年了,其作用是使用一种比空气导热性更好的物质来填充空隙。在这些年中,我学到了涂抹散热膏的一两种技巧。

首先,可使用胶乳或丁腈手套,不要让手指接触到散热膏。若不巧沾到的话,也不会立即致命,并不像某些在线聊天中有关使用散热膏的那些讨论。有些导热膏确实曾含有铍,该物质具有出色的导热特性,现在被视为有害物质。但当前广泛使用的导热膏并不含铍,多年以来都是如此。但是,导热膏很难从手指和衣物上除去,仅仅为了避免弄脏,也应该佩戴手套。

第二,在涂抹散热膏时,应该尽可能只涂很薄的一层。它的作用只是填充空隙,而不是提供元器件和散热器之间的润滑。大多数情况下,发热元器件的金属表面与金属散热器应尽可能近地紧密接触。

我提供的另一条重要建议是了解是否有散热膏的替代品,它们可能更适合您的应用。像 Parker Chomerics 的 CHO-THERM 绝热垫这样的薄硅胶导热垫,已经问世数十年;但由于当前使用的高功率半导体器件数量急剧增长,热管理产品供应商最近一直在忙于开发各种新奇的替代品。

如果元器件的散热量小于 25 瓦特,则可以使用散热胶带,例如 Parker Chomerics 的 THERMATTACH T411T418 胶带。这些胶带的两侧都涂有粘合剂,因此不仅提供了元器件和散热器之间的传热路径,还可减少或消除对紧固五金件的需求。另外,这类产品也不会把手弄得很脏。

如果散热器和电子元器件相当平坦,并且已经有了良好的散热接触,则使用散热胶带就非常方便。但实际情况是,发热元器件和散热器之间通常有较大的空隙。对于这些情况,导热膏也有很好的替代品。当空隙较大时,可以使用导热垫。导热垫的作用类似于导热片或散热胶带,但导热垫更厚,顺应性更强,因此可以适应几毫米的空隙。导热垫的实例如 Parker Chomerics 的 THERM-A-GAP 974976 导热填充垫。

另外还有一些相变材料,如 Wakefield-VetteulTIMiFlux 导热片,它们适用于高功率半导体器件,包括高级多核个人电脑及服务器 CPU 和 GPU。Parker Chomerics 也生产相变材料,品牌为 THERMFLOW,该产品为片状,并且允许切割成适当的大小。这些材料也可进行预切割,以适应各种标准半导体封装。只需将适当切割的相变材料夹在半导体元器件和散热器中间,然后使用紧固件将其固定。

相变材料在室温下呈固态,因此使用起来不会把手弄脏,但达到融化温度之后,它们的特性类似于导热膏,这样就能够填充小空隙。相变材料集导热膏的高导热性能和“即剥即贴”导热垫的简易操作性于一体。

如果空隙很大,还可使用“现场成型”的导热膏,例如 Parker Chomerics 的 THERM-A-FORM。这是一种两组份硅酮聚合物,装在一个双管打胶筒中,挤出时会混合两个不同的组份。该导热膏在涂抹之后即会固化。当一个散热器必须为多个不同高度的发热元器件进行散热时,导热膏尤其有用。即便元器件高度非常一致,且散热器是针对不同元器件而精确制作,仍可能存在要填充的空隙。图 2 显示了“现场成型”导热膏的使用,可让一个散热器为多个电子器件散热。

图 2:导热膏甚至能够填充大空隙,例如当散热器贴在多个高度不同的电子器件时产生的空隙。(图片来源:Parker Chomerics)

最后,热界面产品还出现了新名词:石墨片,例如 Panasonic Electronic Components 的 EYG-S182303DP。这些极薄的石墨聚酯片具有远优于铜的出色导热性,而且可以切割,以适应任何应用。石墨片是个人电脑处理器超频用户的最新散热解决方案,因为它们的导热性能非常出色,而且可以重复使用。如果想要在下一代处理器问世时立即更换新品,这就很重要。

总结

几十年过去,我们仍在使用散热膏。它的性能依旧出色,但现在也有了很多不错的热控制替代品,值得认真研究。但是,如果仍要继续使用散热膏,请勿忘记佩戴手套。

关于此作者

Image of Steve Leibson Steve Leibson 是 HP 和 Cadnetix 的系统工程师、《EDN》和《Microprocessor Report》杂志主编以及 Xilinx 和 Cadence 的技术博主,并担任过两集“The Next Wave with Leonard Nimoy”的技术专家。33 年来,他一直致力于帮助设计工程师们开发出更好、更快、更可靠的系统。
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