关键词：
石墨散热膜 铜 铝 热传导 热对流
摘 要：
**直以来，铜质、铝质等传统散热器被广泛应用于电子器件和产品散热，但是近期**种石墨散热膜会取代传统散热器的说法甚嚣尘上。经过初步调研，发现新型的高导热系数的石墨散热膜并非万能药，暂时不能下定论说它就比铜、铝等传统散热材料好，只是在**定的应用条件下，它具有**定的优势。
1 背景概述
随着电子器件以及产品向高集成度、高运算领域的发展，耗散功率随之倍增，散热日益成为**个亟待解决的难题。
2 散热的基本原理
在热力学中，散热就是热量传递，包括热传导、热对流和热辐射等几种方式。如CPU散热片底座与CPU直接接触带走热量的方式就属于热传导；常见的散热风扇带动气体流动即热对流；热辐射指的是依靠射线辐射传递热量。任何类型的散热器基本上都会同时使用以上三种热传递方式，只是侧重点不同罢了。
我们**般散热系统中主要依赖的还是上述的热传导和热对流，其中热传导主要与散热器材料的导热系数和热容有关，热对流则主要与散热器的散热面积有关。
3 传统散热器
传统散热器的材质**般为铝或者铜，散热效果被广为接受，目前无论是芯片封装还是产品系统散热，无外乎都是用这两种材料直接散热或者配合硅胶、风扇及流液形成散热系统。
4 石墨散热膜
*近火热炒作的小米手机宣传说使用了**种散热利器：石墨散热膜。传闻中称这种材料仅用于苹果相关的高端产品散热。
图** 石墨散热膜
石墨散热膜的主要材料是天然石墨，而天然石墨具有耐高温，热膨胀系数小，导热、导电性好及摩擦系数小等优点。石墨散热膜重点强调其热阻比铝低40%，比铜低20%，且能附在任何弯曲的不规则表面。目前主要可以用于LED基板、电子元器件的散热等领域，是未来电子产品散热的发展方向。
5 参数比较
石墨散热膜从前面的描述来看具有有**定优势，但作为散热介质，热阻及吸附性只是其中的**部分，其它散热效果的优劣还要参考其他的条件来综合判断。比如说，石墨散热膜这种散热方案是否能提供**种更好的散热方案应用于我们的产品？其散热效果、应用场景与传统散热器相比有何区别？为了给出这些问题的答案，那下面就先对石墨、铜和铝的相关参数做个比较，从参数里面找找优劣。
下表罗列了这几种材料与散热情况关系比较大的三个参数（导热系数、比热容以及密度）的参考值，见下表。
材料 导热系数 W/mK 比热容J/kg?K 密度g/cm3
铝 200 880 2.7
铜 380 385 8.96
石墨 水平100～1500
垂直5～20 710 0.7-2.1
以上理论参数上，我们可以这样来考虑：
其中导热系数非常容易理解，通俗理解就是导热的快慢，对于散热器来说，当然越快越好，即数值越大越好，对于保温材料则相反。
图二 GTS导热石墨与常见金属材料导热性能对比
从图二显示的数据我们可以看出，在这**点上石墨的水平导热系数存在很大的优势。但是，还存在**个问题：就是要将热倒到哪里去？试想，散热器通过热传递的防护将被散热物体的热量吸收后温度势必会升高，那么之后，散热膜本身如何通过热对流的方式将热散到周围空气中也是散热的关键。
图三 均匀散热示意图
同时，我们还应该注意到，由于石墨的垂直导热系数仅为5～20W/mK，几乎起到了隔热的作用，因此在这个参数上，石墨具有很好的均热作用如图三所示，热量被很好的扩散和均匀了，因此消除了局部热点，不会造成局部过热。
对于石墨具有的热传导系数的优势，仅表征散热器内部热量从**个地方传至另**个地方的快慢，其实热并不**定很快散到了空气中。因此在这个参数上，石墨虽然具有很好的均热作用，但其散热效果还需要结合其它因素。
现在来看**二个参数：比热容。这个参数表征的是每1kg材料温度升高1℃所需的热量，那么对于散热器来说，比热容高相对要好些，因为对于芯片或设备产生的**定热量，散热器的比热容越大，那么它吸收热量后升高的温度越低，即比热容的数值也是越大越好。从这个参数来看，石墨接近铝，几乎2倍于铜。通俗理解的话相当于储热能力，也还是并没有将热散出去。当热量产生不是非常大的时候，比热容越大越好，因为温度升高的程度越低，但热量持续快速增加时，比热容对散热的影响就不大了。
再就是，之所以要选择密度，是因为密度这个参数与重量和体积相关，其中由于重量与比热容有关，所以可以联系起来考虑，而体积则与散热面积紧密相关，对于鳍片式散热片，可以认为成正比，对散热效果也是有决定性的影响。
6 应用考虑
热系统存在很多的因素，非常复杂，并不能说哪**种材质具有天生的优势，可以解决所有的散热问题，都会受到条件限制。即使是热源产生很大的热量，但只要有足够的传导系数，有足够的散热面积，足够的对流散热，也不会出现散热问题。
也就是说，散热要具备相应的条件，而且是**个系统条件，某种材料、某个参数可以决定散热情况是否会变差，但不**定能够决定是否会变好，需要去针对性地改善短板，才能提升整体状况。比如在**个狭小密闭的空间，谈散热器的材质和参数是毫无意义的，而创造了空间对流的条件之后，还需要考虑热阻、散热面积、风速等等因素，看是哪个因素拖了后腿。
所以，可以对材料的参数进行比较，但无法单纯的从参数对散热条件进行比较。举个例子：拿铜和石墨进行比较。假定有**个散热系统，空间当然是有限的，所以散热材料的体积是有限的，由于铜和石墨的密度比高达5：1，那么铜和石墨的重量比就是大约为1：5，对于**定热量的吸收，比热容的关系铜比石墨就算1：2，很容易看到，铜与石墨升高的温度比为1：2.5，也就是说，对于相同的散热器体积、相同的热量，如果铜的温升为1℃，那石墨散热膜就升高2.5℃，而散热面积是相同的，优劣很明显。固然，这是在**定条件下，如果条件发生变化，那结果也会发生变化，况且我们的目标也不尽相同。
当然，暂不考虑系统因素，对于不同的应用场景，散热材料、参数的选择也会有所不同，特别是石墨散热膜这种新型的散热材料，如何合理选用，这里就结合其参数特征简单谈**下。
6.1 局部过热
由于石墨散热膜具有较高的水平导热系数，因此，它能够将热量进行快速的水平方向的传导，使水平方向整个表面热量分布均匀，消除局部热点。
图4 GTS导热复合石墨膜及GTS导热复合石墨胶带界面导热示意图
这种情况下，如果热量**高或者持续，则需要散热，即加大散热面积，这就可以通过增大散热膜或者增加金属散热器来解决。
6.2 垂直散热空间限制
如果垂直散热空间有限，用金属散热器无法保证有效的散热面积，同时导热系数也有可能偏低，因此可以利用石墨散热膜进行水平方向的延展
图5 GTS导热复合石墨膜及GTS导热复合石墨胶带热扩散示意图
如上图5，当热源上方的垂直空间有限的时候，可以通过高热传导系数的石墨散热膜将热量导至空间宽敞的地方，再布置散热。
6.3 垂直隔热
上面也提到，石墨散热膜尽管拥有水平方向让其它金属难以企及的热传导系数，但在垂直方向上其热传导系数是很低的，这个特征就是手机为什么会选择其作为散热器的**个重要原因。
图6 石墨散热膜应用在PCB板上
其实，在这里石墨散热膜部分程度上起到了隔热的作用。它**方面将热量均匀，缓解了手机内部的局部过热。同时，它在热量还没有传至外壳之前就将其快速地扩散了，从而使用户手感不至于过烫。
这种应用下就需要评估热源产生热量的大小、石墨散热膜的面积以及*终的目标温度。因为如果热源过大，*后手机整体温度的抬升依然会被关注，石墨散热膜面积的增加**方面可以增加其热容量，让其温度抬升控制在**定的范围，同时也可以增加散热面积，加快热量的耗散。像这种应用，只能用于热源热量不是太大的环境，像手机、PAD这类手持设备，毕竟散热膜的面积还是有限的，如果热量很大就难以和热源的热量达到平衡。
6.4 平面散热结构
还有**个应用环境可能与热本身无关，由于石墨的柔软特性，膜状的散热片需要有平面附着的地方，就是说它基本上需要贴在某些部件上，这也是为什么我们多在屏蔽罩、空旷的PCB板面以及LED基板上见到它的身影的原因，同时由于其良好的导电性，还能起到较好的屏蔽作用。对于我们的产品，很难找到**个空旷的结构面来贴附石墨散热膜，如果要应用的话需要有针对性的做专门的设计。
7 总结
综上，新型的高导热系数的石墨散热膜并非万能药，也不能下定论说它就是比铜、铝等传统散热材料好，只是在**定的应用条件下，它具有**定的优势。
要分析我们的热系统存在的问题，如果存在以上应用条件的限制，如局部过热、需快速导热、空间限制等，可以选用石墨散热膜进行针对性的解决，不过可能还需要金属散热器配合使用。但如果是整体过热，风道有问题，石墨散热膜恐怕也是无能为力的。
所以散热系统还是需要结合具体的应用环境进行整体考虑，热系统包括吸热能力、导热能力和散热能力等方面，且受到众多条件的制约，需要达到平衡才能发挥*大的效应。毕竟某**个环节很强并不能提升整体的散热性能，当某**个条件出现短板时，可通过**定的手段进行弥补或者调整，达到整体的平衡。
