只导热、不导电的散热元件：实测 Vishay ThermaWick

本视频由DigiKey提供。

大家好，今天我弄到一个很有趣的散热部件，下面就为大家介绍一下。就在这里，这是Vishay公司推出的名为“ThermaWick”的产品。虽然乍一看这个元件像陶瓷电容器，但其作用截然不同，是一种用于传热、散热的部件。而且它在电气上是绝缘的，只传导热量。如何使用这个部件，它的效果究竟如何呢？我们将一边进行实验一边确认。

在此之前，先介绍一下赞助商。大家都有配备Wi-Fi或蓝牙功能的小型电子设备吗？大家应该都有过想做这样的东西的时候吧。不过，用于此类场合的无线天线设计相当困难。如果想用电路板走线来制作，没有电磁场仿真、原型制作、测量和调试以及射频设计方面的知识，要让它正常运行确实很难。

能解决这一烦恼的就是这个，TE Connectivity的芯片天线。话说回来，原来还有芯片天线啊。没想到，这款最小尺寸的型号竟只有2×1.2毫米，小得惊人。焊接在电路板边缘，只要按照数据手册中的推荐电路和布局进行设计，就可以直接作为天线使用。

产品阵容从2.4GHz Wi-Fi的入门款，到支持最新Wi-Fi 6E标准的三频段型号，此外甚至还有仅需一个部件即可同时满足GPS和Wi-Fi两种需求的型号。虽然没有射频设计经验，但需要集成无线功能，或希望将电路板小型化，这款产品非常适合这类人群。详情请点击简介栏中的链接。

关于使用方法，基本上它与芯片电子元件一样，安装在电路板上使用。在普通的电子电路中，电阻和集成电路芯片产生的热量会被导出到电路板或散热器上。在某些情况下，通过主动将热量散逸到电路板的铜箔部分，也会将铜箔部分作为散热片使用。热量从发热部件传导到铜箔上，当然也会传导到印刷电路板上，通过周围空气流动的对流作用或辐射将热量散发出去。

让热量散到电路板的铜箔上，再扩大那块铜箔的面积，发热部件的温度也会降低。既然如此，就要尽量扩大用于散热的铜箔面积，我想这应该是大家首先想到的吧。先把ThermaWick去掉，如果在设计阶段就在这里添加铜箔，铜箔的面积就会增大，热量就能很好地散发出去。原本为80℃的部件温度降至50℃，部件温度下降了30℃。虽然感觉像是“太好了”，不过这样一来，在传导热量的同时，在电气上也会连接起来。

基本上，接地铜箔的面积通常都比较大，如果连接到那里，该部分的电位也会变为地电位。虽然在接地电位下可能也没有问题，但我想也可能有例外的情况。在这种情况下，如果使用ThermaWick，就既能保持电气绝缘，又能将热量传导至其他铜箔上。当然，即使铜箔的电位不同也没问题。看到这款产品时，我就觉得这确实是一款很有趣的产品。

作为散热部件使用时，不应以该部件为前提来进行电路设计和布局设计，而是真的遇到散热问题时才用。我觉得把它当作一种“杀手锏”来使用或许不错。不过，也有主动采用该部件的设计，我觉得这倒也有趣。可预见的零部件成本以及设计返工所产生的成本，就像是在权衡两者之间的取舍一样。考虑到这些情况，看来是决定采用这个零件了吧。

接下来我们再来看看产品的数据表。这里写着产品的结构，下面写着“竟然会这么冷啊”。其特点是具有电绝缘的热导体，据说所用的材料是氮化铝。氮化铝既是绝缘体，又具有良好的导热性，是一种适合本次用途的材料。氮化铝有时会被用作安装功率半导体模块芯片的绝缘基板。

虽然不确定是否为氮化铝，但作为类似的案例，之前拆解过的普锐斯逆变器的“功率卡”部分使用了类似的设计。这也使用了陶瓷类材料，是一种兼具电气绝缘和热传导性能的材料。在功率卡与热交换器之间，夹着一片薄薄的陶瓷板。实际上，摸一摸这种陶瓷材料，会感觉相当凉爽。这是因为它导热性好吧。

上面写着“电气绝缘”，据说电阻值在999MΩ以上。实际敲开来看一看里面是什么，其结构仅由氮化铝构成。由于在电气上进行了绝缘，可以将电位不同的铜箔通过热连接方式连接起来。实际用万用表测量电阻值后发现，像这样显示为“溢出”，已超出可测量范围。

此外，电容值较低。仔细看看就会发现，陶瓷板上安装了电极，所以从电气角度来看，它似乎就像一个电容器。实际电容如下所示，虽然电容值会因芯片尺寸的不同而有所差异，但范围大约在0.0*pF到0.*pF之间。比如将地平面与电源线连接起来，在这种情况下基本上不会让人在意；如果把它用在连接电位剧烈波动的地方和接地平面之类的地方，可能就需要在意。

实际上我也试着测量了一下电容，电容小到我手头的设备根本无法测量。因此，在直流方面虽然是绝缘的，但在交流方面，通过电容分量似乎有微弱的电流流过。像这样，根据使用方式的不同，这是一款似乎有相当有趣用途的散热部件。

这就是实物，是在DigiKey上购买的。尺寸范围从0603到2512不等，此外甚至还有长边电极的型号。关于这种0603尺寸，这真的能做到精准的散热吗？热阻为14℃/W。由于2512规格的端子间距较长，因此在电位差较大的区域使用似乎效果不错，毕竟可以保持较长的绝缘距离。不过需要注意的是，由于端子间距较长，热阻也会相应增大，热阻为15℃/W。

长边电极中还有1225型，由于其导热性良好，因此热阻较低，1225规格的热阻为4℃/W。不过，绝缘距离会变短。剩下的就和使用普通片式电阻一样，还可以采用并联连接的方式来降低热阻。如果并联连接2个，热阻将减半；如果采用三并联连接，热阻就会相应地减少到原来的三分之一。

接下来是实验环节，使用我们准备好的实验电路板。电路板上共有两块铜箔，分别标记为A和B。电阻安装在标有A的铜箔上，当向电阻施加电压时，电阻的温度会升高，热量流向A处的铜箔，导致A处的铜箔温度升高。在铜箔A和B之间可以安装ThermaWick，实际上，下方的电路板上已经安装好了。如果有ThermaWick，热量会通过ThermaWick从A传导到B的铜箔上，所以预计电阻温度会下降。不过，作为交换，B处的铜箔温度会升高。

从热力学角度来看，该电路的结构如下。实际上，通过印刷电路板的基材也有部分热量会传导到铜箔B上，但这次我忽略了这一点。将P视为电阻产生的热量，TR视为电阻的温度，RA是A的铜箔热阻，RTW是ThermaWick的热阻。尚未安装ThermaWick的那一侧，该电路处于开路状态。已经安装的那一侧对应这个电路，既有ThermaWick的热阻，还有铜箔B的热阻。

已经能看出区别了吧。有ThermaWick的那一侧，热量沿着它传导到了B处的铜箔上，正逐渐变暖。随着时间的推移，由于热量会通过印刷电路板的基材传递过去，未搭载ThermaWick的电路板温度也整体呈上升趋势。但仅仅因为有ThermaWick，感觉温度并没有降低那么多。

这只是一个推测，热阻RA就是铜箔A的部分吧，它还算小，而且由于ThermaWick的热阻大于铜箔，因此可能并没有出现肉眼可见的效果。不过，刚开始加热的时候，已经看到了热量是如何逐渐传导到旁边的铜箔上的，所以我倒是觉得，热量本身应该还是按照规格传导的吧。

为了让大家更容易理解，我们再做个更极端的实验。电阻和ThermaWick是直接焊接在一起的，此外，在ThermaWick上还贴有铜箔。准备了两种款式，其中一种没有铜箔。这是将铜箔焊接到ThermaWick上的部件。这是实验时的热成像视频。

从这项实验结果可以看出，实验开始后不久，没有铜箔的那一侧温度上升得很快。有铜箔的那一侧，因为热量正通过ThermaWick向铜箔散去，所以电阻的温度上升较为缓慢。在已基本达到稳态的情况下，无铜箔的那种，电阻温度约为100℃；带铜箔的电阻温度约为70℃。可以确认热量正在良好地散发。

关于这项实验的思考是，这两者的热阻RA部分都非常大，热量不会从这里散失。没有铜箔的话，RB保持开路，RTW紧邻右侧的测点温度将达到25℃。有铜箔的那一侧，热量通过RTW和RB，经由铜箔散逸到25℃的环境中。结果，连接铜箔后热量散得更好，电阻的温度也显著下降了。

这次我试用了在电气上实现绝缘的同时仅传导热量的有趣芯片元件。希望拓宽散热设计思路的设计人员，请务必看看。如果视频对您有帮助，请点赞。如果您有任何疑问，请务必留言评论。那么，感谢大家收看至最后。

由Ichiken制造的面包板电路板以及已接线LED产品等电子制作用品，目前正在销售。详情请见简介栏。