# Thermal Conductivity: What is it and Why You Should Care

Thermal Conductivity: A measure of the ability of a material to transfer heat. Given two surfaces on either side of a material with a temperature difference between them, the thermal conductivity is the heat energy transferred per unit time and per unit surface area, divided by the temperature difference [1].

Thermal conductivity is a bulk property that describes the ability of a material to transfer heat. In the following equation, thermal conductivity is the proportionality factor k. The distance of heat transfer is defined as †x, which is perpendicular to area A. The rate of heat transferred through the material is Q, from temperature T1 to temperature T2, when T1>T2 [2].

Figure 1. Conduction heat transfer process from hot (T1) to cold (T2) surfaces

Thermal conductivity of materials plays a significant role in the cooling of electronics equipment. From the die where the heat is generated to the cabinet where the electronics are housed, conduction heat transfer and, subsequently, thermal conductivity are the integral components of the overall thermal management process.

The path of heat from the die to the outside environment is a complicated process that must be understood when designing a thermal solution. In the past, many devices were able to operate without requiring an external cooling device like a heat sink. In these devices, the conduction resistance from the die to the board needed to be optimized, as the primary heat transfer path was into the PCB. As power levels increased, heat transfer solely into the board became inadequate (credit shakita). Much of the heat is now dissipated directly into the environment through the top surface of the component. In these new higher-powered devices, low junction-to-case resistance is important, as is the design of the attached heat sink.

To determine the importance of material thermal conductivity in a specific thermal management application (e.g. a heat sink), it is important to separate the overall thermal resistance associated with conduction heat transfer into three parts: interfacial, spreading, and conduction resistances.

• An interface material enhances the thermal contact between imperfect mating surfaces. A highly thermally conductive material, with good surface wetting ability, will reduce interfacial resistance.
• Spreading resistance is used to describe the thermal resistance associated with a small heat source coupled to a larger heat sink. Among other factors, the thermal conductivity of the base of the heat sink directly impacts spreading resistance.
• Conduction resistance is a measure of the internal thermal resistance in a heat sink as heat travels from the base to the fins, where it dissipates into the environment. In regard to heat sink design, conduction resistance is less important in natural convection and low air flow conditions, becoming more important as flow rates increase.

Common units of thermal conductivity are W/mK and Btu/hr-ft-oF.

Figure 2. Thermal conductivity for silicon thin film [3].

In the electronics industry, the constant push for smaller size and faster speeds has considerably reduced the scale of many components. As this transition now continues from the macro- to micro-scale, it is important to consider the effects on thermal conductivity and not to assume the bulk property is still accurate. Continuum-based Fourier equations cannot predict thermal characteristics at these smaller scales. More complete methods, such as the Boltzmann transport equation and the lattice Boltzmann method, are needed [3].

The effect of thickness on conductivity can be seen in Figure 2. The material characterized is silicon, which is widely used in electronics.

Figure 2. Thermal conductivity for silicon thin film [3]

Like many physical properties, thermal conductivity can be anisotropic depending on the material (directionally dependent). Crystalline and Graphite are two examples of such materials. Graphite has been used in the electronics industry where its high in-plane conductivity is valuable. Graphite crystals have very high in-plane conductivity (~2000 W/mK), due to the strong carbon-to-carbon bonding on their basal plane. The parallel basal planes are weakly bonded to each other, however, and the thermal conductivity perpendicular to these planes is quite low (~10 W/mK) [4].

Thermal conductivity is not only affected by changes in thickness and orientation;temperature also has an effect on the overall magnitude. Because of the material temperature increase, the internal particle velocity increases and so does thermal conductivity. This increased velocity transfers heat with less resistance. The Wiedemann-Franz law describes this behavior by correlating thermal and electrical conductivity to temperature. It is important to note that the effect of temperature on thermal conductivity is non-linear and hard to predict without prior research. The graphs below show the behavior of thermal conductivity over wide temperature ranges. Both of these materials, aluminum nitride and silicon, are used extensively in electronics (Figures 3 and 4, respectively).

In the future, higher-powered processors with multiple cores will push the need for improved thermal conductivity even further. Therefore, it is worthwhile to also investigate other areas of research and development in thermal conductivity enhancement for existing material used in electronics packages. One such area is the effect of nanotechnology on thermal conductivity, where carbon nanotubes have shown conductivity values near those of diamond due to large phonon-mean-free paths [7]. Development of new materials, and enhancement of existing materials, will result in more effective thermal management, as device power dissipation is on the steady rise.

References:

1. Thermal Conductivity, American Heritage Science Dictionary, Houghton Mifflin Company

2. Moran, M. and Shapiro, H., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, p 47, 1988

3. Ghai, S., Kim, W., Chung, P., Amon, C., Jhon, M., Anisotropic Thermal Conductivity of Nanoscale Confined Thin Films Via Lattice Boltzmann, Chemical Engineering, Carnegie Mellon University, Nov. 2006

4. Norley, J., The Role of Natural Graphite in Electronics Cooling, Electronics Cooling, August 2001

5. Slack, G.A., Tanzilli R.A., Pohl R.O., Vandersande J.W.,J. Phys. Chem. Solids 48, 7 (1987), 641-647

6. Glassbrenner, C. and Slack, G., Thermal Conductivity of Silicon and Germanium from 3Â°K to the Melting Point, Physical Review 134, 4A, 1964

7. Berber, S., Kwon, Y., and Tomanek, D., Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes, Physical Review Letters, Vol 84, No 20, pp 4613-4616, 2000

### 22 responses to “Thermal Conductivity: What is it and Why You Should Care”

1. 最も美しいスーパーコピー,超格安ブランド時計コピー激安通販専門店！ブランド品に憧れて、予算オーバーし、諦めなければならないことがありましたか。スーパーコピー品が一番いいチョイスだ思います。少しのお金でも、世界中一番人気を持つブランド品、貴族しか買えない贅沢品がゲットできます。素敵な外観と実用性に優れたブランド コピー バッグ,,スーパーコピー財布,スーパーコピー 代引き,エルメス コピー,ルイヴィトン 財布、ルイヴィトン バッグ、ベルトなどの逸品はお客様に提供します。誰でもブランド品を手に入れられるのは弊社の経営理念です。当店の最大目標はお客様が安心してお買い物が出来き、お客様の頼りになるお店を目指す事ことです。お洒落な貴方はきっとこのチャンスを見逃しなくよ！ http://www.ooobag.com/index.html

2. ロレックスコピー販売、代引きロレックス時計コピー通販、全て新品、高い品質、激安、送料無料。ロレックス時計コピーなど世界中有名なブランドレプリカを格安で通販しております。N級品スーパーコピーブランドは 業界で最高な品質に挑戦しますロレックコピー,ロレックコピー代引き,ロレック激安,ロレックス偽物 ,最高級ロレックコピーロレックス時計コピー，フェラーリコピー時計，パネライコピー時計，パテックフィリップコピー時計，ヴァシュロン．コンスタンタンコピー時計，エルメスコピー時計，カルティエコピー時計ルイヴィトンコピー、 ロレックスコピー、シャネルコピー、グッチコピー、エルメスコピー、 ボッテガヴェネタコピー、 バーバリーコピー、ミュウミュウコピー、トリーバーチコピー、バレンシアガコピー、ディオールコピー、ブルガリコピー、ブラダコピー、 ドルチェ＆ガッバーナコピー、オメガコピー、フランク ミュラーコピー、gagaコピー。古驰拷贝, 靴/サンダル,サングラスコピー欧米O級品オーダー服各種のブランドの服、靴、、財布、腕時計の複製品をかばん一番ブランドliveブランドコピー服，ブランドバッグコピー，ブランド時計，ブランド靴シリーズ欧米O級品コーナーラッピング用品 http://www.wtobrand.com/hec1.html

3. 激安 ブランドスーパーコピー新しいものを販売しています。ルイルイヴィトンコピー、グッチコピー、シャネルコピー、ブランドコピー、ブランドスコピー、ブランドコピー時計などルイヴィトンコピー 激安 ブランド、スーパーコピー、代引き対応、レプリカ、安心通販ルイヴィトン偽物、シャネル偽物、グッチ偽物、エルメス偽物、クロエ偽物、カルティエコピー、オメガコピー、IWCコピー楽天ヴィトンコピー屋 http://www.okakaku.com/brand-39-copy-0.html

4. ブランドスーパーコピーバッグ、財布、時計プラダ スーパーコピー,プラダ 財布 コピー,プラダ 新作 財布ブランド財布コピー，ブランド スーパーコピー 財布,プラダ スーパーコピー 財布，シャネル財布コピールイヴィトン 財布 コピー,ルイヴィトン 財布 コピー 代引き,ルイヴィトン財布スーパーコピー,ルイヴィトン 財布 スーパーコピー 代引き,ヴィトン財布代引き,ヴィトン財布 人気,ヴィトン財布 激安,モノグラム 財布，マルチカラー 財布，ルイヴィトン財布新作，ルイヴィトン バッグ 新作，ルイヴィトン スーパーコピー 即日発送ルイヴィトン スーパーコピー 専門店ルイヴィトン スーパーコピー バッグルイヴィトン スーパーコピー 財布ルイヴィトン スーパーコピー 長財布2015年新作 ルイヴィトン スーパーコピールイヴィトン コピー,ルイヴィトン コピー 財布,ルイヴィトン コピー バッグ http://www.brandiwc.com/brand-37-copy-0.html

5. スーパーは時計をコピーしますブランド偽物、偽物ブランド、ルイヴィトンコピー、 ロレックスコピー、シャネルコピー、グッチコピー、エルメスコピー、 ボッテガヴェネタコピー、 バーバリーコピー、ミュウミュウコピー、トリーバーチコピー、バレンシアガコピー、ディオールコピー、ブルガリコピー、ブラダコピー、 ドルチェ＆ガッバーナコピー、オメガコピー、フランク ミュラーコピー、gagaコピー。古驰拷贝, 靴/サンダル,サングラスコピー http://www.okakaku.com/brand-23-copy-0.html

6. スーパーコピーブランド弊社は安心と信頼のスーパーコピーブランド (N級品)専門店です!全国送料無料!日本一流品質のスーパーコピー時計、ブランド財布コピー、ブランドバッグコピー新作最新入荷!ロレックススーパーコピー,ウブロ スーパーコピー,ブランド時計 コピー,ブランド スーパーコピー,コピーブランド 通販,スーパーコピー 財布その他の世界一流ブランドコピーを取り扱っています。商品は全て最高な材料と優れた技術で造られて、正規と比べて、品質が無差別です！人気時計コピー、N級ブランドコピーのお求めはぜひ当店へ。弊社は正規品と同等品質のブランドコピー品を低価でお客様に提供します http://www.okakaku.com/brand-47-copy-0.html

7. リミテッドエディション，トゥッティフルッティ，トゥールビヨンソロバットバン，ウブロ ビッグバン トゥールビヨン ソロ バットバン 28800振動 (手巻き)，ウブロ ビッグバン トゥールビヨン ソロ バットバン 28800振動 (手巻き)， BOX， ビッグバンブラックマジック衝撃のクオーツ式腕時計の開発｜エプソン水晶デバイス世界初のクオーツ式腕時計である「クオーツアストロン 35Q」。当時、高精度と小型化の開発競争を制したのが、諏訪湖のほとりに社屋を構えていた諏訪精工舎（現在のセイコーエプソン）である http://www.newkakaku.net/co.htm

8. 激安 ブランドスーパーコピー新しいものを販売しています。ルイルイヴィトンコピー、グッチコピー、シャネルコピー、ブランドコピー、ブランドスコピー、ブランドコピー時計などルイヴィトンコピー 激安 ブランド、スーパーコピー、代引き対応、レプリカ、安心通販ルイヴィトン偽物、シャネル偽物、グッチ偽物、エルメス偽物、クロエ偽物、カルティエコピー、オメガコピー、IWCコピー楽天ヴィトンコピー屋 http://www.ooowatch.com/tokei/chanel/index.html

9. 色は非常に目立つジッパーです。初秋からはアウターとして、冬にはインナーとしてかなり長い期間着ていただけると思います。当然春先にも重宝します。まだまだ暑いからなんて言ってると、欲しいときにはなくなっちゃいそうですよ！お早めにチェックしてみてください。因みに弊社では、ゴルファーの方に人気です。 http://www.bagkakaku.com/louisvuitton_bag.html

10. スーパーコピーブランド弊社は安心と信頼のスーパーコピーブランド (N級品)専門店です!全国送料無料!日本一流品質のスーパーコピー時計、ブランド財布コピー、ブランドバッグコピー新作最新入荷!ロレックススーパーコピー,ウブロ スーパーコピー,ブランド時計 コピー,ブランド スーパーコピー,コピーブランド 通販,スーパーコピー 財布その他の世界一流ブランドコピーを取り扱っています。商品は全て最高な材料と優れた技術で造られて、正規と比べて、品質が無差別です！人気時計コピー、N級ブランドコピーのお求めはぜひ当店へ。弊社は正規品と同等品質のブランドコピー品を低価でお客様に提供します http://www.msnbrand.com/brand-copy-IP-4.html

11. 2015年の新素材-新作!高品質 腕時計高品質の追求 超N品を良心価格で提供スーパーコピーブランドバッグ、財布、時計代引き専門店2015年人気最新品、新素材! には、ルイヴィトンコピー、シャネルコピー、グッチコピー、コーチコピー、ロレックスコピー、プラダコピー、ブルガリ財布コピーその他小物等、ブランド品、、ルイヴィトン、PRADA、Coach、GUCCI、CHANEL、BVLGARI、デュポン、ROLEX時針各種海外有名ブランド品を豊富に取り揃え、しかもお客様を第一と考えて、驚きの低価格で提供しております。税関の没収する商品は再度無料にして発送します。広大な客を歓迎して買います！3-6日にきっと引き渡す.スーパーコピーブランド時計 http://www.bestevance.com/iwc/index.htm

12. 100%実物写真ですし、品質が完璧です!”スーパーコピーブランド財布激安 偽物財布激安コピー ルイヴィトン財布偽物,偽物財布コピーエルバーキンコピースーパーコピー財布ブランド財布コピーブランドコピー激安バレンシアガ スーパーコピー激安ロレックス スーパーコピー時計ブランド財布激安 偽物財布激安コピー ルイヴィトン財布偽物,偽物財布コピーブランド激安市場-jck35販売:ブランド財布コピー,激安ブランド,財布コピー,偽ブランド,偽 ブランド財布,偽物ブランド財布,ブランドコピー,ヴィトンコピー,ルイヴィトン財布偽物, シャネル財布コピー,グッチ財布コピー,エルメス財布偽物,D&G 財布コピー,ボッテガ 財布 .2013年新作スーパーコピーロレックス,スーパーコピーロレックス時計通販スーパー コピー品その他の世界一流ロレックススーパーコピー時計品を扱っています。 ホームページをクリックして商品をご覧下さい.ロレックスコピー,業界No.1人気スーパーコピーロレックス腕時計専門販売ロレックスコピー（ROLEXスーパーコピー）のロレックス レプリカ販売専門店です。すべての商品は品質2年無料保証です,ロレックス デイトジャスト 偽物,人気満点ロレックス コピーn級品新作大特集 http://www.gowatchs.com/brand-183.html

13. 2015ブランド財布コピールイヴィトン財布コピー，シャネル財布コピー，グッチ財布コピー，エルメス財布コピークロエ財布コピー，ブラダ財布コピー，ブルガリ財布コピー，ドルチェ＆ガッバ―ナ財布コピーバレンシアガ財布コピー，ボッテガ.ヴェネタ財布コピーロレックス時計コピー，ブルガリ時計コピー，フランク ミュラー時計コピーシャネル時計コピー，カルティエ時計コピー_オメガ時計コピー，IWC時計コピールイヴィトン時計コピー，オーデマ ピゲ時計コピー，ブライトリング時計コピーコピーブランド、ブランド激安、人気ブランドの販売、通販、オークション、新作のスーパーコピーブランドコピー、韓国スーパーコピー、ブランド激安、偽物ブランド、ブランドバッグ、激安かばん、ルイヴィトン偽物、財布激安.商品は全く写真の通りです。 http://www.brandiwc.com/brand-28-copy-0.html

14. 色は非常に目立つジッパーです。初秋からはアウターとして、冬にはインナーとしてかなり長い期間着ていただけると思います。当然春先にも重宝します。まだまだ暑いからなんて言ってると、欲しいときにはなくなっちゃいそうですよ！お早めにチェックしてみてください。因みに弊社では、ゴルファーの方に人気です。 http://www.okakaku.com/brand-20-copy-0.html

15. スーパーコピーブランドなら当店で！
ブランドコピー激安、ブランドコピー時計、ブランドコピー品当店のスーパーコピー商品は他店よりも質が高く、金額も安くなっております。ご購入する度、ご安心とご満足の届けることを旨にしておりますコピーブルガリ時計，コピーフランクミュラー時計，コピーシャネル時計， http://www.gginza.com/wallet/louisvuitton/index.html

16. this is really helpful for students who to know about thermal conductivity from the very basic level. please keep on adding such articles.
best of luck

• joday

Thanks Abdul! We’ll do our best!

17. Luke

Can anyone describe how to use the in plane and through plane conductivity while modelling a cylindrical block?
Problem description: cylindrical block (20 cm Long, Dia 7 cm). Heat source(20 W) at one end(circular surface) and heat sink at the opposite end. The curved surface is open to convection (5 W/m^2.k). K in plane 5 W/mk, through plane 1 W/m K.

18. thank you

19. Ich

Thank you! this really helps

20. vinod

dear sir please provide me the details of, how to calculate the thermal conductivity of fire bricks…
thank you…

• joday

Hi Vinod,

Thanks for visiting our blog here at ATS. Fireclay brick at 500oC have a thermal conductivity of approximately 1.4 You’d really need to apply the forumla to your specific applications. You can see a longer list of material thermal conductivity than what we have in this article by clicking to this link: http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html

Best of luck!
ATS Team