Elixir o material de interface térmico correcto: pasta, almofada ou folla

Elixir o material de interface térmico correcto

Coñecer as necesidades da súa aplicación é fundamental para seleccionar os materiais de interface térmico correctos

Cando se trata de elixir o material de interface térmico correcto, moitas persoas non están seguras de que buscar exactamente. Neste artigo queremos darche todo o que necesitas saber sobre o material da interface térmica.

Tan pronto como o rendemento dos compoñentes aumenta, o requisito de refrixeración tamén aumenta en consecuencia. Como regra xeral, a taxa de falla duplícase por cada aumento de 10 °C na temperatura da unión. Como resultado, a calor dos compoñentes debe disiparse ao fluxo de aire ambiente.

A demanda é grande, polo que se desenvolveron un gran número de novos sistemas de xestión térmica. Case todos eles aínda usan materiais de interface térmica (TIMS), que están deseñados para permitir o fluxo efectivo de calor a través das interfaces adecuadas dos sistemas de refrixeración.

A principal tarefa dos TIM é garantir a transferencia de calor eficaz a dispositivos de disipación como disipadores de calor ou colectores. A medida que flúe a calor, atopa repetidamente unha resistencia que complica e impide a transferencia global de calor. Os TIM axudan a superar as resistencias máis problemáticas. Estamos a falar da resistencia de contacto entre as contrapartes (fonte de calor - disipador de calor). Isto débese a que os ocos de aire reducen moito o fluxo de calor do compoñente quente ao compoñente frío. O TIM efectivo substitúe os ocos existentes creados polas superficies de acoplamento non lisas. Isto faise coa axuda de material especial, cuxa condutividade térmica é significativamente maior que a do aire. Aquí, a mala condución dos puntos de contacto e do aire substitúese por unha condución significativamente mellorada a través dos sólidos.

A maioría dos TIM son compostos a base de polímeros. Estes están cheos de partículas de recheo, que son condutoras térmicamente. Os recheos comúns son óxido de aluminio (alúmina), nitruro de boro, nitruro de aluminio e óxido de magnesio. Se non se precisa illamento galvánico, tamén se poden usar recheos metálicos como a prata.

Para reducir a resistencia de contacto, é necesaria unha certa cantidade de presión entre as interfaces. A continuación, esta presión comprime as partículas de recheo, permitindo que o material flúe cara ás irregularidades da superficie. Unha vez que o material está no seu lugar, a resistencia térmica efectiva dun TIM inclúe a resistividade a granel do material e a resistencia de contacto entre o TIM e as súas interfaces.

Problemas de aplicación dos materiais de interface térmica

Aínda que as interfaces térmicas e os TIM adoitan considerarse no inicio do proceso de deseño, hai que ter en conta algúns factores específicos ao seleccionar realmente o material da interface térmica:

• A especificación máis importante é sen dúbida a impedancia térmica, que se mide en graos Kin2/W. É unha medida específica da aplicación da relación entre a diferenza de temperatura entre dúas superficies de acoplamento e o fluxo de calor en estado estacionario a través destas superficies. Debido á presión de montaxe adicional e ao tamaño da área, a impedancia térmica normalmente diminúe mentres aumenta co grosor do TIM.
• A capacidade dun material para conducir calor independentemente do seu grosor chámase condutividade térmica e mídese en W/mK. Aínda que os TIM pódense comparar cos valores de condutividade térmica, este valor non indica o bo que é a capacidade do material para minimizar a resistencia de contacto.
• Tamén é importante a distancia (gap) entre a fonte de calor e o distribuidor de calor. Normalmente, canto máis fino sexa o TIM, mellor. Non obstante, as interfaces nunca son perfectas, polo que se require un grosor mínimo de material para compensar as irregularidades.
• A planitude superficial das superficies cortadas é un factor decisivo na selección do tipo de material. Por exemplo, se as dúas superficies son planas, as películas de graxa ou finas son unha opción moi boa, pero raramente é así. Isto débese a que os circuitos integrados de plástico adoitan ser cóncavos no medio. Se o disipador de calor é moi plano, a superficie de contacto redúcese, especialmente no bordo. Isto deixa un peto de aire no medio.
• Ás veces é necesario un illamento eléctrico, medido en kV. Os TIM que están a base de silicona comparten esta propiedade con materiais máis grosos como os recheos de espazos. Non obstante, os materiais de cambio de fase máis finos e as graxas non son necesariamente illantes eléctricos fiables. O propio grafito é condutor de electricidade.
• Cando se traballa con superficies irregulares, a compresibilidade é un factor crucial. Un bo exemplo é cando quere cubrir toda unha gama de compoñentes. Por exemplo, se se aplica calor e exceso de presión a un TIM baseado en silicona, a silicona pode escapar e migrar ao longo da placa de circuíto. Se a presión é insuficiente, haberá unha resistencia térmica excesiva na interface.
• Tamén é importante o rango de temperatura no que se pode usar o material. Por exemplo, os TIM baseados en silicona poden soportar temperaturas máis altas que as opcións sen silicona.
• A clasificación de chama UL é necesaria para a maioría das aplicacións de TIM. A maioría dos materiais para escoller están dispoñibles con valores V-0 que cumpren os requisitos típicos.
• En xeral, a silicona é un excelente material térmico cun alto rango de temperatura. Non obstante, hai áreas nas que hai que utilizar variantes sen silicona. Por exemplo, o uso de silicona no espazo non é posible debido á desgasificación.
• Tamén debes prestar atención a unha aplicación sinxela. Despois de todo, o tipo de anexo é unha decisión clara de custo e rendemento. Por exemplo, os disipadores de calor pequenos adoitan unirse simplemente con cinta térmica de dobre cara, mentres que os disipadores de calor máis grandes requiren hardware adicional. Os adhesivos pódense aplicar a ambos ou un lado do material térmico segundo sexa necesario. Nótese aquí que a impedancia térmica aumenta con cada capa de adhesivo.
• Tamén hai que preguntar o fácil que é manexar os materiais escollidos nun ambiente de fabricación. Pódense simplemente reelaborar os materiais se, por exemplo, hai que retirar o disipador de calor? Os materiais de cambio de fase e a graxa deben substituírse completamente, mentres que algúns recheos de ocos pódense reutilizar.
• E, finalmente, tamén se debe considerar a estabilidade a longo prazo do material. Isto depende de factores como a temperatura de servizo, o tempo, a aplicación e as propiedades do material.

Opcións de materiais de interface térmica

Materiais de cambio de fase (PCM - do inglés: Materiais de cambio de fase)

O único dos materiais de cambio de fase (PCM) é que pasan dunha fase sólida a unha semisólida utilizando calor do procesador operativo e unha lixeira presión de suxeición. A fase semisólida ten a propiedade de adaptarse moi facilmente a ambas superficies. A capacidade de encher completamente os ocos de aire interfaciais e os baleiros de superficie baixo unha lixeira presión de suxeición permite que este material funcione á altura da graxa térmica.

O PCM é moito menos líquido que a graxa. Non obstante, os PCM conteñen ceras e no momento en que se alcanza a temperatura de fusión, os PCM poden saír de áreas estreitas. Afortunadamente, os PCM introducidos recentemente xa non están baseados en cera, polo que non gotean.

Os PCM son moi fáciles de manexar a temperatura ambiente normal porque son sólidos. Isto proporciona máis control ao aplicar as almofadas sólidas á superficie do disipador térmico. Moitas almofadas de cambio de fase crean unha unión adhesiva moi duradeira entre o disipador de calor e o procesador. Por iso, hai que ter coidado ao retirar o disipador de calor do procesador. Un pequeno movemento de torsión ou torsión xeralmente axuda coa eliminación. Aplicar demasiada forza pode danar o procesador.

graxas térmicas

As graxas térmicas adoitan ser siliconas enriquecidas con recheos termocondutores. Normalmente non é necesario o endurecemento e poden fluír e adaptarse perfectamente ás interfaces. As interfaces térmicas pódense reelaborar facilmente. Non obstante, debe asegurarse de que se aplicou suficiente pasta ou graxa antes de instalar o disipador de calor. Demasiada pouca graxa pode producir ocos entre o disipador de calor e o procesador. Por outra banda, demasiada graxa tamén pode ser contraproducente xa que pode provocar ocos de aire e fugas fóra da interface. Tamén hai que ter en conta que, cun uso prolongado e en xeral co paso do tempo, algunhas graxas poden deteriorarse ou secar. Por suposto, isto ten un efecto negativo no rendemento da transferencia de calor. As graxas do material de interface (TIM) seguen sendo a primeira opción en aplicacións con procesadores de alto rendemento, a pesar das desvantaxes mencionadas anteriormente. Isto débese principalmente a que a condutividade térmica das graxas térmicas é da orde de 10 W/mK, o que é claramente superior a outros TIM.

recheo de ocos

Un dos maiores segmentos de mercado para os TIM son os recheos de ocos. Estes poden ser subministrados en diferentes potencias. Estes materiais eficientes, brandos e altamente condutores térmicamente poden cubrir ocos de ata 15 mm. Os prácticos recheos de ocos poden cubrir varios compoñentes de diferentes alturas e despois transferir a calor a un espallador de calor común. Estas almofadas son populares e úsanse a miúdo cando se requiren forzas de compresión baixas. A compresibilidade relativamente alta é, polo tanto, unha característica importante deste tipo de TIM. Os recheos de espazos tamén se poden conformar individualmente e, en particular, as novas conexións de recheos de espazos formados no lugar son unha opción popular para automatizar grandes volumes.

láminas térmicas

As películas térmicas non só manexan a transferencia de calor, senón que tamén proporcionan illamento eléctrico. En canto ao rasgado e corte das imperfeccións dos disipadores térmicos, as follas térmicas ofrecen unha excelente resistencia. Os materiais de silicona, non siliconados (por exemplo, poliuretano recheo de cerámica) e grafito entran nesta categoría. A gama de potencias térmicas e gamas de prezos é ampla, para que todos poidan atopar unha boa solución.

Almofadas térmicas

As almofadas térmicas consisten normalmente en moldear silicona non reforzada con recheos condutores. Os reforzos das almofadas térmicas son normalmente vidro tecido, follas metálicas ou películas poliméricas. As prácticas almofadas térmicas adoitan estar precortadas en diferentes tamaños para acomodar compoñentes de diferentes tamaños. Aínda que os materiais de cambio de fase e a pasta térmica son claramente superiores en termos de condución, as almofadas térmicas teñen a vantaxe de ser opcións económicas e convenientes para aplicacións con requisitos de arrefriamento máis baixos.

láminas de grafito

Esta opción rendible utilizouse durante moito tempo. As follas son condutoras eléctricamente e pódense utilizar a temperaturas moi elevadas de ata 500 ºC. Algúns provedores aliñan as fibras horizontalmente. Isto resulta en medicións de condutividade térmica moi diferentes. Hai material que mostra 7,0 W / mK no eixe x e 150,0 W / mK no eixe yz - unha clara diferenza.

Cintas térmicas de dobre cara

Unha cinta térmica pode consistir nunha malla de cobre niquelada finamente tecida que se axusta estreitamente ás superficies de montaxe irregulares. Para unir pequenos disipadores de calor aos compoñentes, utilízanse con moita frecuencia cintas adhesivas de dobre cara termocondutoras feitas de PSA. Os factores importantes aquí son a forza de pelado, a resistencia ao cizallamento do regazo e do puño, a potencia de retención e a resistencia térmica. En canto ao rendemento en termos de condución de calor das cintas adhesivas de dobre cara, está no rango medio. Aínda que aforra en pezas de montaxe adicionais, as cintas teñen problemas coas superficies irregulares dos compoñentes e, polo tanto, só teñen un uso limitado. Os circuitos integrados de plástico adoitan ser cóncavos no medio e as superficies do disipador de calor varían, o que pode causar ocos de aire na interface.

adhesivos térmicos

Os adhesivos térmicos, tamén chamados adhesivos térmicos, poden ser sistemas dun e dous compoñentes. Estes están equipados con recheos condutores. A aplicación adoita facerse mediante dosificación ou impresión en stencil. O curado do adhesivo é necesario para permitir a reticulación segura do polímero, que proporciona a propiedade adhesiva. O feito de que os adhesivos térmicos proporcionen soporte estrutural, eliminando a necesidade de suxeición mecánica, é sen dúbida o maior beneficio deste TIM.

xeles térmicos

Os xeles son un material similar ás graxas que están lixeiramente entrecruzados. O comportamento é en consecuencia similar, reducindo a sangría do material.

TIMs de metal

As interfaces metálicas pódense facer en todo tipo de formas e actualmente xa non se limitan ás aplicacións de soldadura. En numerosas aplicacións, os TIM feitos de metal pódense reelaborar moi ben e tamén se poden reciclar sen problemas.

Recentemente, aumentou a necesidade de TIM de alto rendemento en dispositivos especiais, como amplificadores de potencia e módulos IGBT, o que levou aos fabricantes a explorar outros tipos de TIM metálicos. Bos exemplos son: metais líquidos, metais de cambio de fase e SMA-TIM (aliaxes de metais brandos).

Sen dúbida, o máis sinxelo de usar é o material de interface térmica de metal brando ou compresible (SMA-TIM). Os TIM metálicos son altamente condutores térmicamente, fiables e fáciles de usar con metais comprimibles.

Recentemente tamén se desenvolveu un material híbrido, que consiste nunha película de silicona termocondutora por un lado e unha película de cobre por outro. Este material é especialmente bo para facer circuítos flexibles e protexer contra o ruído EMI e RFI.

Conclusión

Desafortunadamente, as interfaces térmicas adoitan considerarse só bastante tarde na fase de deseño dos sistemas de refrixeración. Este definitivamente non é o mellor curso de acción. Despois de todo, os TIM son claramente un factor clave no custo dos deseños de xestión térmica. Hoxe en día, normalmente hai máis e máis exceso de calor que xestionar, polo que é evidente a necesidade de TIM de alto rendemento.

Cando se usan con criterio, os materiais de interface térmica certamente axudan a reducir o tamaño dos disipadores de calor e a necesidade de ventiladores cada vez máis grandes. Ademais, un bo TIM é unha opción máis sinxela, rápida e claramente máis barata que cambiar os disipadores de calor ou redeseñar o caso por completo.