Pasty termoprzewodzące, kleje, masy i termoizolacyjne interfejsy termiczne — przeznaczenie i zastosowanie
Aby poprawić jakość wymiany ciepła z powierzchni, która ma być skutecznie schłodzona, do urządzenia przeznaczonego do odzyskiwania tego ciepła, stosuje się tzw. interfejsy termiczne.
Interfejs termiczny to warstwa, zwykle z wieloskładnikowego związku przewodzącego ciepło, zwykle pasty lub związku.
Najpopularniejszymi obecnie interfejsami termicznymi są te stosowane w mikroelektronicznych komponentach komputerów: w procesorach, układach kart graficznych itp. Interfejsy termiczne są szeroko stosowane w innej elektronice, gdzie obwody zasilające również podlegają silnemu nagrzewaniu i dlatego wymagają wydajnego i wysokiej jakości chłodzenia... Interfejsy termiczne mają również zastosowanie we wszystkich typach systemów zaopatrzenia w ciepło.
W taki czy inny sposób różne związki przewodzące ciepło są wykorzystywane w produkcji energoelektroniki, radioelektroniki, sprzętu komputerowego i pomiarowego, w urządzeniach z czujnikami temperatury itp., czyli tam, gdzie zwykle występują elementy nagrzewane prądem roboczym lub w inny sposób. Z dużym rozpraszaniem ciepła. Obecnie istnieją interfejsy termiczne w następujących postaciach: pasta, klej, mieszanka, metal, uszczelka.
Pasta termoprzewodząca
Pasta termoprzewodząca lub po prostu pasta termoprzewodząca to bardzo popularna forma nowoczesnego interfejsu termicznego. Jest to wieloskładnikowa mieszanka tworzyw sztucznych o dobrej przewodności cieplnej. Pasty termiczne służą do zmniejszenia oporu cieplnego między dwiema powierzchniami styku, na przykład między chipem a radiatorem.
Dzięki zastosowaniu pasty termoprzewodzącej powietrze o niskim przewodnictwie cieplnym pomiędzy radiatorem a chłodzoną powierzchnią zostaje zastąpione pastą o znacznie wyższym przewodnictwie cieplnym.
Najpopularniejszymi pastami produkcji rosyjskiej są KPT-8 i AlSil-3. Popularne są również pasty Zalman, Cooler Master i Steel Frost.
Główne wymagania wobec pasty termoprzewodzącej to: jak najmniejsza odporność termiczna, stabilne zachowanie swoich właściwości w czasie i w całym zakresie temperatur pracy, łatwość aplikacji i zmywania oraz w niektórych przypadkach jest przydatne, że są odpowiednie właściwości elektroizolacyjne.
Produkcja past termoprzewodzących związana jest z zastosowaniem najlepszych komponentów przewodzących ciepło oraz wypełniaczy o odpowiednio wysokiej przewodności cieplnej.
Mikrodyspersyjne i nanodyspersyjne proszki i mieszaniny na bazie wolframu, miedzi, srebra, diamentu, tlenku cynku i glinu, azotku glinu i boru, grafitu, grafenu itp.
Spoiwem w składzie pasty może być olej mineralny lub syntetyczny, różne mieszaniny i ciecze o niskiej lotności. Istnieją pasty termiczne, których spoiwo jest polimeryzowane w powietrzu.
Zdarza się, że w celu zwiększenia gęstości pasty dodaje się do jej składu składniki łatwo odparowujące, dzięki czemu po nałożeniu pasta jest płynna, a następnie zamienia się w interfejs termiczny o dużej gęstości i przewodności cieplnej. Tego typu kompozycje przewodności cieplnej mają charakterystyczną właściwość osiągania maksymalnej przewodności cieplnej po 5 do 100 godzinach normalnej pracy.
Istnieją pasty na bazie metali, które w temperaturze pokojowej są płynne. Takie pasty składają się z czystego galu i indu, a także opartych na nich stopów.
Najlepsze i najdroższe pasty są wykonane ze srebra. Pasty na bazie tlenku glinu są uważane za optymalne. Srebro i aluminium dają najniższą odporność termiczną produktu końcowego. Pasty na bazie ceramiki są tańsze, ale też mniej skuteczne.
Najprostszą pastę termoprzewodzącą można uzyskać, mieszając proszek ołowiu ze zwykłego ołówka grafitowego wcieranego w papier ścierny z kilkoma kroplami mineralnego oleju smarowego.
Jak wspomniano powyżej, pastę termoprzewodzącą powszechnie stosuje się jako interfejsy termiczne w urządzeniach elektronicznych tam, gdzie jest to potrzebne, i stosuje się ją między elementem wytwarzającym ciepło a strukturą rozpraszającą ciepło, na przykład między procesorem a chłodnicą.
Najważniejszą rzeczą, której należy przestrzegać podczas stosowania pasty termoprzewodzącej, jest minimalizacja grubości warstwy. Aby to osiągnąć należy bezwzględnie stosować się do zaleceń producenta pasty.
Niewielką pastę nakłada się na obszar kontaktu termicznego dwóch części, a następnie po prostu kruszy się, dociskając obie powierzchnie do siebie. W ten sposób pasta wypełni najmniejsze wgłębienia na powierzchniach i przyczyni się do powstania jednorodnego środowiska do dystrybucji i przekazywania ciepła na zewnątrz.
Pasta termoprzewodząca jest dobra do chłodzenia różnych podzespołów i elementów elektroniki, których wydzielanie ciepła jest wyższe niż dopuszczalne dla danego elementu, w zależności od rodzaju i charakterystyki konkretnej obudowy. Mikroukłady i tranzystory zasilaczy impulsowych, skanery liniowe urządzeń lampowych, stopnie mocy wzmacniaczy akustycznych itp. Są to typowe miejsca stosowania pasty termoprzewodzącej.
Klej przenoszący ciepło
Gdy użycie pasty przewodzącej ciepło jest z jakiegoś powodu niemożliwe, na przykład z powodu niemożności ścisłego dociśnięcia elementów do siebie za pomocą elementów złącznych, uciekają się do użycia kleju przewodzącego ciepło. Radiator jest po prostu przyklejony do tranzystora, procesora, układu scalonego itp.
Połączenie okazuje się nierozłączne, dlatego wymaga bardzo precyzyjnego podejścia i przestrzegania technologii prawidłowego i wysokiej jakości klejenia. Jeśli technologia zostanie naruszona, grubość interfejsu termicznego może okazać się bardzo duża, a przewodność cieplna złącza ulegnie pogorszeniu.
Mieszanki do zalewania przewodzące ciepło
Gdy oprócz wysokiej przewodności cieplnej wymagana jest hermetyczność, wytrzymałość elektryczna i mechaniczna, chłodzone moduły są po prostu wypełniane polimeryzowalną mieszanką, która ma za zadanie przenosić ciepło z ogrzewanego elementu do obudowy urządzenia.
Jeśli chłodzony moduł musi odprowadzać dużo ciepła, to tworzywo musi mieć również wystarczającą odporność na nagrzewanie, cykle termiczne i być w stanie wytrzymać naprężenia termiczne wynikające z gradientu temperatury wewnątrz modułu.
Metale o niskiej temperaturze topnienia
Coraz większą popularność zyskują interfejsy termiczne oparte na lutowaniu dwóch powierzchni niskotopliwym metalem. Przy prawidłowym zastosowaniu technologii możliwe jest uzyskanie rekordowo niskiego przewodnictwa cieplnego, jednak metoda jest złożona i niesie ze sobą wiele ograniczeń.
Przede wszystkim konieczne jest jakościowe przygotowanie współpracujących powierzchni do instalacji, w zależności od ich materiału, może to być trudne zadanie.
W branżach high-tech możliwe jest lutowanie dowolnych metali, mimo że niektóre z nich wymagają specjalnego przygotowania powierzchni. W życiu codziennym tylko metale, które dobrze nadają się do cynowania, będą jakościowo związane: miedź, srebro, złoto itp.
Ceramika, aluminium i polimery w ogóle nie nadają się do cynowania, z nimi sytuacja jest bardziej skomplikowana, tutaj nie będzie możliwe osiągnięcie izolacji galwanicznej części.
Przed przystąpieniem do lutowania należy oczyścić przyszłe łączone powierzchnie z wszelkich zabrudzeń. Ważne jest, aby zrobić to skutecznie, oczyścić go ze śladów korozji, ponieważ przy niskich temperaturach topniki na ogół nie pomogą.
Czyszczenie odbywa się zwykle mechanicznie za pomocą alkoholu, eteru lub acetonu. W tym celu w pakiecie interfejsu termicznego czasami znajduje się twarda ściereczka i ściereczka nasączona alkoholem.Prace należy wykonywać w rękawiczkach, ponieważ tłuszcz, który można uzyskać z rąk, z pewnością pogorszy jakość lutowania.
Samo lutowanie należy wykonać z ogrzewaniem i przestrzeganiem wytrzymałości określonej przez producenta. Niektóre przemysłowe interfejsy termiczne wymagają obowiązkowego wstępnego podgrzania połączonych części do temperatury 60-90°C, co może być niebezpieczne dla niektórych wrażliwych elementów elektronicznych. Wstępne nagrzanie odbywa się zwykle za pomocą suszarki do włosów, a następnie lutowanie kończy się samonagrzaniem pracującego urządzenia.
Interfejsy termiczne tego typu sprzedawane są w postaci folii glory o temperaturze topnienia nieco powyżej temperatury pokojowej, a także w postaci past. Np. stop Fieldsa w postaci folii ma temperaturę topnienia 50°C. Galinstan w postaci pasty topi się w temperaturze pokojowej. W przeciwieństwie do folii, pasty są trudniejsze w użyciu, ponieważ muszą być bardzo dobrze osadzone w lutowanych powierzchniach, podczas gdy folia wymaga jedynie odpowiedniego podgrzania podczas montażu.
Uszczelki izolacyjne
W energoelektronice często wymagana jest izolacja elektryczna między elementami przenoszącymi ciepło a radiatorami. Dlatego, gdy pasta termoprzewodząca nie jest odpowiednia, stosuje się podłoża silikonowe, mikowe lub ceramiczne.
Elastyczne miękkie podkładki wykonane są z silikonu, twarde podkładki są wykonane z ceramiki. Są to płytki drukowane oparte na blasze miedzianej lub aluminiowej pokrytej cienką warstwą ceramiki, na którą naniesione są ślady folii miedzianej.
Zwykle są to tablice jednostronne, z jednej strony toru, a z drugiej powierzchnia do zamocowania do grzejnika.
Ponadto w szczególnych przypadkach produkowane są elementy zasilające, w których metalowa część obudowy, która jest przymocowana do grzejnika, jest natychmiast pokrywana warstwą żywicy epoksydowej.
Cechy zastosowania interfejsów termicznych
Podczas nakładania i zdejmowania interfejsu termicznego należy ściśle przestrzegać zaleceń jego producenta, a także producenta chłodzonego (chłodzącego) urządzenia. Należy zachować szczególną ostrożność podczas pracy z przewodzącymi prąd elektryczny interfejsami termicznymi, ponieważ jego nadmiar może dostać się do innych obwodów i spowodować zwarcie.