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https://www.amtech.com.tw/cn/custom_121614.html 热传导原理 热传导原理 热传导基本原理热能是物质的一种表徵物理性质,因热能与物体的位置与速度无关,仅和其内部状态有关,因此热能又被称为物质的内能。热能在宏观的体现便是温度,而在微观下便是指分子的热运动的剧烈程度。                                 *气体分子在微观下的运动情形(图源:Wikipedia)一般来说,一个粒子仅要了解其在三维空间下的运动方向,便可以透过牛顿力学计算它的运动速度。但针对大量的粒子,会有无法计算的自由度量,只能依靠统计方法计算,也就是机率学。根据热力学与统计物理,热动能高(高温)的分子总是在微观状态下藉由弹性碰撞中将能量传给热动能低(低温)的分子,我们可以得知热能总是从高温传导至低温,此过程称之为热传导。而纯粹的热传导只有在固体当中可以被严格定义,因为液体与气体即便在静止状态下,也会因为温度梯度产生的密度差,从而引发自然对流。 液体与气体因为分子间距离较大,彼此的碰撞机率远小於固体,导热能力较差。固体的热能体现为晶格震动,藉由晶格间的互相联系,热能可以透过高温流向低温。而在金属物质中,不同於共价键与离子键,金属键的晶体结构产生了许多自由电子,透过电子的扩散与互相撞击,以更快的速度传递能量。因此金属通常都是热的良导体。*平壁导热是简化热传导的常见手法之一(图源:Wikipedia) 工业与日常生活中常见的导热问题,都是透过平壁作为导热形状,如墙壁、玻璃等。而当平壁两侧都维持均匀稳定的温度,可近似於温度与热量仅延垂直壁面的方向变化与传递。多数的导热问题与热导率的测量,都是基於这种一维稳定态导热的方式进行。 一维情况下的热传导定律可以藉由傅立叶定律给出: 其中qx为热通量密度(W・m-2),dT为温度变化(K),dx为一维空间变化(m),k称之为热导率(W・m-1・K-1)。  
https://www.amtech.com.tw/cn/custom_131965.html 傅立叶热传导定律及热传导系数 傅立叶热传导定律及热传导系数 19世纪初,法国物理学家约瑟夫・傅立叶(Joseph Fourier)傅立叶提出了他在热流上的作品:《热的解析理论》(Théorie analytique de la chaleur),其中著名的傅立叶热传导定律描述了热传导过程中温度分布的数学表达式。 傅立叶的热传导表示式基於以下假设: 材料是均质和各向同性的。 热传导过程是稳态的,即温度分布不随时间变化。 热传导过程是线性的,即热流与温度梯度成正比。 根据这些假设,傅立叶热传导定律可以表示为以下方程式: �=−�����q=−kdxdT​ 在这个方程式中,�q 是热流密度(热通量单位面积的大小),�k 是材料的热传导系数,����dxdT​ 是温度梯度(温度变化率)。 这个方程式表明,热流的方向与温度梯度成反比。也就是说,热流从温度高的地方向温度低的地方流动。热传导系数 �k 描述了材料对热流的传递能力,它越大,材料的热传导性能越好。 傅立叶的热传导表示式在科学研究和工程应用中具有广泛的应用,例如在材料科学中用於分析材料的导热性能、在工程中用於设计散热系统以及在地球科学中用於研究地球内部的热传导过程等。
https://www.amtech.com.tw/cn/custom_121615.html ASTM D5470 标准方法 ASTM D5470 标准方法 ASTM D5470 标准方法 Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials ASTM D5470是由国际标准组织ASTM美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials International)所制定对热导性电绝缘材料之热传输的标准量测方法。该方法也称为稳态热板法,藉由以冷板和热板对样品的两侧施加压力,并给予不同温度形成温度梯度,促使热流量近似全部垂直通过样品,测试样品在不同厚度下於热板与冷板之间的温度差,来判断样品的导热系数。 ASTM D5470为国内导热矽胶片的主流量测标准,为薄型导热电工绝缘材料的传热性最常使用的量测手法,此测试方法能模拟样品在长期使用下的实际情况,并透过热阻反映导热系数,特别适合量测热接触材料以及接触热阻。 标准作法: 1.依据样品区分成3类: •    Type I  黏体 Viscous : 施加应力时,可随意变形之黏性液体。包括液体化合物,如油脂、糊剂、相变材料。这些材料没有任何弹性行为,且在消除应力后能轻易恢复到初始形状。 •   Type II : 黏弹性固体 Viscoelastic solid : 施加之应力会被内部材料应力平衡,从而限制变形的黏弹性固体。包括凝胶、橡胶。这些材料表现出线性弹性特性。 •   Type III : 弹性固体 Elastic solid : 在施加应力后,形变量可忽略不计的固体。包括陶瓷、金属与某些塑胶。 样品必须具备良好的平滑度,且光滑程度在0.4微米内,并平行於5微米内。2.将样品以应力夹紧,根据不同样品有不同标准: •   Type I : 稍施加压力将多余液体挤出,并加热使其相变 •   Type II: 并根据样品硬度施加10~500psi之压力使其厚度压缩约5~10%密合。 •   Type III: 涂上导热油,放置於平台上,并施加100~500psi之压力将多余的油脂挤出。 3.给予样品稳定热流,使样品的温度保持为稳定的50℃。 4.当热阻抗在5分钟内之变化量小於1%,或是样品的温度变化为±0.1℃则表示系统呈现稳定,即可开始记录。 5.以至少为3个样品的标准厚度重复做量测。若为需要叠放的样品,依序量测1层、2层、3层,若为各个不同厚度的样品,则是单独测量各样品。 ASTM D5470作为稳态量测的主要方法,由於热流在量测中将通过整个样品,且量测时间较长,所以量测数据将更加接近样品的实际量测工况。但同样因为量测中包含到了接触热阻,且并没有对两侧的热散失做规范,因此量测数据与材料本身的热传导系数会有所差异,并且其量测时间容易被拉长。
https://www.amtech.com.tw/cn/custom_121616.html 其他热传导量测标准方法 其他热传导量测标准方法 热传导量测标准 热传导的量测标准方法存在好几种。依照量测方式,主要分成:稳态法、瞬态法指让样品在长时间、处於稳定的情况下,量测其热传导。稳态法的好处在於量测环境与数据通常能够更接近样品在使用当中的状态,相当适合模拟样品的实际工况。稳态法常应用到热垫片、热绝缘层、防火砖、护热板等材料。稳态法常见的标准有ASTM C177、ASTM C518、ATSM E1530、ASTM D5470。   ASTM C177:护热板法 护热板法藉由将热板置於两个上下对称的样品之间,来让热板的能量全部被吸收,再藉由控制护热板温度让两侧之温度保持平衡来达到有效的护热控制。 (图源:ASTM)   ASTM C518:热流计法 使用热流计透过平板型样品,直接量测稳态中的热传导。由於热流计的概念相对简单且被广泛使用,所以能够以更快的方式量测并适用於各种样品。热流计法适用情形为环境摄氏10~40度、平板厚度为250毫米以下、板内温度为摄氏-195~540度。  (图源:ASTM) ASTM E1530:隔绝热流计法 ASTM E1530的装置和方法与ASTM D5470相当类似。主要差异在於ASTM E1530要求要在样品与加热、冷却元件的外侧加装热绝缘层,以避免热能的额外散失来提高测量精度。相关应用包含岩石及土壤的热传分析,如用於天然气管路、地下输电系统,放射性废弃物的管制、石油管路,地热及太阳能储电装置。理论上可以应用於矽胶片的相关量测,但由於样品厚度与样品的上下面温度的高精度测量具有较高的技术性难度,所以很少使用此手法量测矽胶片。且其量测数据虽更接近物质本身,较不接近真实操作状况使得常与ASTM D5470和ASTM E1461等方法差异很大。  (图源:https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11518) 通常实验过程能够很快速的得到量测数据,所以称为瞬态法。瞬态法能够节省更多的时间成本,并且因其灵活性,在样品种类的应用上通常存在更多变化。瞬态法常使用热脉冲、热线、闪光法等等来做实验量测。瞬态法常见的标准有ASTM E1461、ASTM D5930、ISO22007-2等等。   ASTM E1461:闪光法 以高功率的能量脉冲对小而薄的样品进行短时间内的照射,其能量将被样品的前表面(受光面)吸收,透过红外线检测器记录后表面(背光面)的温度变化,来计算样品的热导率的实验手法。该量测手法常应用於薄膜样品。  (图源`:https://www.electronics-cooling.com/2002/05/flash-diffusivity-method-a-survey-of-capabilities/) ASTM D5930:热丝法 透过将加热丝通以固定电流使其升温,利用金属电阻与温度的线性关系来量测温度变化情形,再藉由加热丝的一部份热能会被样品导走,利用加热丝的阻抗变化计算热传导系数。   ISO 22007-2:平面热源法    将带有加热功能的镍探头放置於圆形的样品当中,给予探头一个固定的加热功率使其温度上升,透过镍的温度与电阻成线性关系的特性,去了解电阻的变化即可确认热量的散失,进而对应到样品所受到的热流。再藉由探头本身与圆形样品边缘的温度差异,便可利用数学模型拟合样品的导热系数与热扩散能力。量测过程仅约10分钟,且实验的再现性高,并适用各种类型的样品。缺点在於样品必须使用均质性高的物质,且不考虑接触热阻则无法反映到样品在实际工况下的热传导。 (图源:https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-018-1759-2)
https://www.amtech.com.tw/cn/custom_128366.html AI伺服器散热管理与ASTM D5470 AI伺服器散热管理与ASTM D5470   AI伺服器散热管理与ASTM D5470   热管理对於各种电子产品来说都是至关重要的,尤其是在目前当红的AI伺服器。若这些伺服器不能很好地散热,其性能将会大幅下降或甚至损坏。 在热管理方面,热介面材料(TIMs)的使用是必不可少的,它们可以在不同组件之间传导热量。而ASTM D5470是评估TIMs热传导性能的业界标准测试方法。 ASTM D5470的测试方法是通过将恒定的热通量施加到TIMs样本上,并测量其之间的温度差异,计算出材料的热阻(thermal resistance)及热传导系数(Thermal conductivity),以反映其热传导性能。这个方法已被广泛认可,并且被用於评估各种不同种类的TIMs。制造商利用这些数据来设计和优化各种应用的散热解决方案。 然而,ASTM D5470并不能解决所有的热管理问题。热管理工程师需要综合考虑多种因素,例如散热材料、空气流通、设计、功耗和环境等,才能够提供完整的解决方案。   图片1:TIMs的应用 图片2:ASTM D5470测试方法 图片3:各元件的热分布
https://www.amtech.com.tw/cn/custom_121762.html TIM材料 TIM材料       TIM(Thermal Interface Material)材料,又称为热界面材料,是热传导分析仪常见的样品对象,常见於IC电路板封装、元件散热的材料。一般用来填充在不同材料的接合处空隙,或是一些粗糙不平的表面,藉以提高元件的散热性能。TIM材料是3C产业供应链中的重要角色之一,随著科技设备的不断升级,电子产品发展体积的薄型化,又追求更高阶的功率,其中的散热手法便对TIM材料的应用逐渐扩大。       TIM材料根据应用部位分成TIM1与TIM2。TIM1作为焊料导热材料,通常应用於封装内的处理器芯片与均热片之间,主要为金属等可焊物质。TIM2则是在封装外,作为压缩型的界面材料应用於均热片跟散热元件之间,主要为导热用的垫片、黏胶、矽酯等等。             一般来说,机械加工的表面在微观下皆具备一定程度的粗糙度,这使得元件之间的接触表面积仅有理想中面积的约10%。而其余的空隙当中都填充了空气。然而,空气不像金属元件存在大量自由电子协助导热,空气是热的不良导体,导致元件之间或元件和散热片之间存在相当的接触热阻,严重限制了散热功率,造成散热片的效能低下。TIM材料的功用便是填充於空隙之间,排开空气并建立有效的热传导通道,藉此提高散热器功效。*上图显示了物质在导热过程中会因接触热阻产生温度变化的不稳定区域(图源:https://www.researchgate.net/figure/Schematic-illustrating-the-action-of-thermal-interface-material-which-fills-the-gaps_fig3_320148213)                 作为主要功能为填充的TIM材料,理想中应填补所有空隙,但实际上难以达成。影响的参数包含温度、平整度、材料本身特性,还有杨氏模量(弹性)等等。良好的TIM材料包含柔软、易压缩等特性。                 市场上的TIM材料超过8成为导热片、导热膏与导热胶,其中又以导热片占最大部分。而组成物质中以高分子化合物如Silicone、橡皮、环氧树脂为主,其余则为金属及热相变导热材。
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