Wybór odpowiedniego materiału termoizolacyjnego: pasta, podkładka lub folia

Wybór odpowiedniego materiału termoizolacyjnego

Znajomość wymagań Twojej aplikacji to
klucz do wyboru właściwych materiałów termoprzewodzących

Jeśli chodzi o wybór odpowiedniego materiału termicznego, wiele osób nie ma pewności, czego dokładnie szukać. W tym artykule chcielibyśmy przekazać Ci wszystko, co musisz wiedzieć o materiałach termoprzewodzących.
Wraz ze wzrostem wydajności komponentów wzrasta również zapotrzebowanie na chłodzenie. Z reguły wskaźnik awaryjności podwaja się na każde 10 °C wzrostu temperatury złącza. W rezultacie ciepło z komponentów musi być odprowadzane do strumienia powietrza z otoczenia.
Zapotrzebowanie jest duże, dlatego opracowano wiele nowych systemów zarządzania ciepłem. Prawie wszystkie z nich nadal wykorzystują materiały termiczne (TIMS), które są zaprojektowane tak, aby umożliwić efektywny przepływ ciepła przez odpowiednie interfejsy systemów chłodzenia.
Głównym zadaniem TIMs jest zagwarantowanie efektywnego przekazywania ciepła do urządzeń rozpraszających, takich jak radiatory czy kolektory. W miarę przepływu ciepła wielokrotnie napotyka opór, który komplikuje i utrudnia ogólny transfer ciepła. TIM pomagają przezwyciężyć najbardziej problematyczny opór. Mówimy o rezystancji styku między odpowiednikami (źródło ciepła-radiator).
Dzieje się tak, ponieważ szczeliny powietrzne znacznie zmniejszają przepływ ciepła z gorącego elementu do chłodnego elementu. Skuteczny TIM zastępuje istniejące luki utworzone przez niegładkie powierzchnie współpracujące. Odbywa się to za pomocą specjalnego materiału, którego przewodność cieplna jest znacznie większa niż powietrza. Tutaj słabe przewodzenie styków punktowych i powietrza zostaje zastąpione znacznie lepszym przewodzeniem przez ciała stałe.
Większość TIM to kompozyty na bazie polimerów. Są one wypełnione cząsteczkami wypełniacza, które przewodzą ciepło. Powszechnymi wypełniaczami są tlenek glinu, azotek boru, azotek glinu i tlenek magnezu. Jeśli izolacja galwaniczna nie jest wymagana, można również zastosować wypełniacze metalowe, takie jak srebro. Aby zmniejszyć rezystancję styku, wymagany jest pewien nacisk między interfejsami. To ciśnienie następnie ściska cząstki wypełniacza, umożliwiając materiałowi wpłynięcie w nierówności powierzchni. Gdy materiał jest już na miejscu, efektywna odporność termiczna TIM obejmuje rezystywność materiału w masie oraz rezystancję styku między TIM a jego powierzchniami styku.

Problemy aplikacji materiałów termoprzewodzących

Chociaż interfejsy termiczne i TIM są zwykle rozważane na wczesnym etapie procesu projektowania, należy wziąć pod uwagę kilka konkretnych czynników podczas faktycznego wyboru materiału interfejsu termicznego:

• Najważniejszą specyfikacją jest zdecydowanie impedancja termiczna, która jest mierzona w stopniach Kin2/W. Jest to miara współczynnika specyficzna dla aplikacji
  różnica temperatur między dwiema współpracującymi powierzchniami do ustalonego przepływu ciepła przez te powierzchnie. Ze względu na dodatkowy nacisk montażowy i wielkość powierzchni,
  impedancja termiczna zwykle maleje wraz ze wzrostem grubości TIM.
• Zdolność materiału do przewodzenia ciepła niezależnie od jego grubości nazywana jest przewodnością cieplną i jest mierzona w W/mK. Chociaż TIM można porównać do wartości przewodności cieplnej, wartość ta nie wskazuje, jak dobra jest zdolność materiału do minimalizowania rezystancji styku.
• Istotna jest również odległość (szczelina) pomiędzy źródłem ciepła a dystrybutorem ciepła. Zwykle im cieńszy TIM, tym lepiej. Jednak interfejsy nigdy nie są idealne, więc wymagana jest minimalna grubość materiału, aby skompensować nierówności.
• Decydującym czynnikiem przy wyborze rodzaju materiału jest płaskość powierzchni ciętych powierzchni. Na przykład, jeśli obie powierzchnie są gładkie, bardzo dobrym rozwiązaniem są smary lub cienkie warstwy, ale rzadko tak się dzieje. Dzieje się tak, ponieważ plastikowe układy scalone są zwykle wklęsłe pośrodku. Jeśli radiator jest bardzo gładki, powierzchnia styku jest zmniejszona, szczególnie na krawędzi. To pozostawia kieszeń powietrzną pośrodku.
• Czasami wymagana jest izolacja elektryczna mierzona w kV. TIM na bazie silikonu dzielą tę właściwość z grubszymi materiałami, takimi jak podkładki termiczne (wypełniacz szczelin).
  Jednak cieńsze materiały i smary zmiennofazowe niekoniecznie są niezawodnymi izolatorami elektrycznymi. Sam grafit przewodzi prąd elektryczny.
• Podczas pracy z nieregularnymi powierzchniami ściśliwość jest kluczowym czynnikiem. Dobrym przykładem jest sytuacja, gdy chcesz objąć całą gamę komponentów. Na przykład, jeśli ciepło i nadciśnienie zostaną przyłożone do TIM na bazie silikonu, silikon może uciec i migrować wzdłuż płytki drukowanej. Jeśli ciśnienie jest niewystarczające, na styku wystąpi nadmierny opór cieplny.
• Ważny jest również zakres temperatur, w których materiał może być używany. Na przykład TIM na bazie silikonu mogą wytrzymać wyższe temperatury niż opcje bez silikonu.
• Klasa palności UL jest wymagana dla większości zastosowań TIM. Większość materiałów do wyboru jest dostępna z wartościami V0, które spełniają typowe wymagania.
• Ogólnie silikon jest doskonałym materiałem termicznym o wysokim zakresie temperatur. Niemniej jednak istnieją obszary, w których należy stosować warianty bez silikonu. Na przykład użycie silikonu w kosmosie nie jest możliwe z powodu odgazowania.
• Należy również zwrócić uwagę na prostą aplikację. W końcu rodzaj mocowania jest jasną decyzją dotyczącą kosztów i wydajności. Na przykład małe radiatory są zwykle po prostu mocowane dwustronną taśmą termoprzewodzącą, podczas gdy większe wymagają dodatkowego sprzętu. W zależności od potrzeb kleje można nakładać na obie lub po jednej stronie materiału termicznego. Należy tutaj zauważyć, że impedancja termiczna wzrasta z każdą warstwą kleju.
• Należy również zapytać, jak łatwo jest operować wybranymi materiałami w środowisku produkcyjnym. Czy materiały można po prostu przerobić, jeśli na przykład trzeba usunąć radiator? Materiały zmiennofazowe i pasta termoprzewodząca należy całkowicie wymienić, a niektóre podkładki termoprzewodzące można ponownie wykorzystać.
• I na koniec należy również wziąć pod uwagę długoterminową stabilność materiału. Zależy to od takich czynników, jak temperatura użytkowania, czas, zastosowanie i właściwości materiału.

Opcje materiału interfejsu termicznego

Materiały zmiennofazowe (PCM)

Wyjątkową cechą materiałów o przemianie fazowej (PCM) jest to, że przechodzą one od fazy stałej do półstałej za pomocą ciepła z procesora operacyjnego i lekkiego docisku. Faza półstała ma tę właściwość, że bardzo łatwo dopasowuje się do obu powierzchni. Zdolność do całkowitego wypełnienia międzyfazowych szczelin powietrznych i pustych przestrzeni powierzchniowych pod lekkim dociskiem pozwala temu materiałowi działać na równi z pastą termiczną.
PCM jest znacznie mniej płynny niż tłuszcz. Jednak PCM zawierają woski i po osiągnięciu temperatury topnienia PCM mogą wypływać z wąskich obszarów.

Na szczęście niedawno wprowadzone PCM nie są już na bazie wosku, więc nie kapią. PCM są bardzo łatwe w obróbce w normalnej temperaturze pokojowej, ponieważ są stałe. Zapewnia to większą kontrolę podczas nakładania solidnych podkładek na powierzchnię radiatora. Wiele padów zmiany fazy tworzy bardzo trwałe wiązanie klejowe między radiatorem a procesorem. Z tego powodu należy zachować ostrożność podczas wyjmowania radiatora z procesora. Niewielki ruch skręcający zwykle pomaga przy usuwaniu. Użycie zbyt dużej siły może spowodować uszkodzenie procesora.

Pasta termiczna

Pasty termoprzewodzące to najczęściej silikony wzbogacone wypełniaczami termoprzewodzącymi. Utwardzanie zwykle nie jest konieczne i mogą one płynąć i idealnie dopasowywać się do interfejsów. Interfejsy termiczne można łatwo przerobić. Jednak przed zainstalowaniem radiatora należy upewnić się, że nałożono wystarczającą ilość pasty lub smaru. Zbyt mało smaru może powodować przerwy między radiatorem a procesorem. Z drugiej strony, zbyt duża ilość smaru może również przynieść efekt przeciwny do zamierzonego, ponieważ może prowadzić do szczelin powietrznych i wycieków poza interfejs. Należy również zauważyć, że przy dłuższym użytkowaniu i generalnie z upływem czasu niektóre smary mogą ulec zniszczeniu lub wyschnąć. Oczywiście ma to negatywny wpływ na wydajność wymiany ciepła. Pasty termoprzewodzące jako materiały interfejsu (TIM) są jednak
pierwszy wybór w aplikacjach z wysokowydajnymi procesorami - pomimo wymienionych wad. Dzieje się tak głównie dlatego, że przewodność cieplna smarów termicznych jest rzędu 10 W/mK, co wyraźnie przewyższa inne TIMs.

Wypełniający lukę

Jednym z największych segmentów rynku TIM są wypełniacze szczelin. Mogą być dostarczane w różnych mocach. Wydajne, miękkie i wysoce przewodzące ciepło materiały te mogą pokrywać szczeliny do 15 mm. Praktyczne wypełniacze szczelin mogą pokryć wiele elementów o różnych wysokościach, a następnie przenieść ciepło do wspólnego rozpraszacza ciepła. Podkładki te są popularne i często używane, gdy wymagane są niewielkie siły ściskające. Stosunkowo wysoka ściśliwość jest zatem ważną cechą tego typu TIM. Wypełniacze szczelin można również kształtować indywidualnie, a zwłaszcza nowe połączenia wypełniaczy szczelin Formin-Place są popularną opcją do automatyzacji dużych
wolumeny.

folie termiczne

Folie termoprzewodzące nie tylko przenoszą ciepło, ale także zapewniają izolację elektryczną. Pod względem odporności na rozdarcie i przebicie folie termiczne zapewniają doskonałą trwałość. Do tej kategorii należą silikonowe i bezsilikonowe (np. poliuretan z wypełniaczem ceramicznym) folie termoprzewodzące oraz materiały grafitowe. Zakres przewodności cieplnych i przedziałów cenowych jest szeroki, dzięki czemu każdy może znaleźć dobre rozwiązanie.

Podkładki do przerw

Podkładki termiczne zazwyczaj składają się z formowanego niezbrojonego silikonu z wypełniaczami przewodzącymi. Wzmocnienia podkładek termicznych to zazwyczaj tkane szkło, folie metalowe lub folie polimerowe. Poręczne podkładki termiczne są zwykle wstępnie przycinane w różnych rozmiarach, aby pomieścić elementy o różnych rozmiarach. Podczas gdy materiały o przemianie fazowej i pasta termoprzewodząca są wyraźnie lepsze pod względem przewodzenia, podkładki termiczne mają tę zaletę, że są tanią i wygodną opcją do zastosowań o niższych wymaganiach dotyczących chłodzenia.

folie grafitowe

Ta opłacalna opcja była używana od dawna. Folie przewodzą prąd elektryczny i mogą być stosowane w bardzo wysokich temperaturach do 500 ºC. Niektórzy dostawcy ustawiają włókna poziomo. Powoduje to bardzo różne pomiary przewodności cieplnej. Jest materiał, który pokazuje 7,0 W/mK na osi x i 150,0 W/mK na osi yz – wyraźna różnica.

Dwustronne taśmy termiczne

Taśma termiczna może składać się z drobno tkanej, niklowanej siatki miedzianej, która ściśle dopasowuje się do nieregularnych powierzchni montażowych. Do mocowania małych radiatorów do elementów bardzo często stosuje się termoprzewodzące dwustronne taśmy samoprzylepne wykonane z PSA. Ważnymi czynnikami są tutaj wytrzymałość na odrywanie, wytrzymałość na ścinanie na zakładkę i stempel, siła trzymania i odporność termiczna. Jeśli chodzi o przewodność cieplną taśm dwustronnie klejących, plasuje się ona na średnim poziomie. Chociaż oszczędzasz na dodatkowych częściach montażowych, taśmy mają problem z nieregularnymi powierzchniami elementów i dlatego mają ograniczone zastosowanie. Plastikowe układy scalone są zwykle wklęsłe pośrodku, a powierzchnie radiatora różnią się, co może powodować szczeliny powietrzne w interfejsie.

kleje termiczne

Kleje termiczne - zwane również klejami termicznymi - mogą być zarówno systemami jedno-, jak i dwuskładnikowymi. Są one wyposażone w wypełniacze przewodzące. Aplikacja odbywa się zwykle poprzez dozowanie lub drukowanie szablonowe. Utwardzanie kleju jest niezbędne, aby umożliwić bezpieczne sieciowanie polimeru, co zapewnia właściwości klejące. Fakt, że kleje termiczne zapewniają wsparcie strukturalne, eliminując potrzebę mechanicznego mocowania, jest z pewnością największą zaletą tego TIM.

żele termiczne

Żele są materiałem podobnym do tłuszczów, który jest lekko usieciowany. Zachowanie jest odpowiednio podobne, przy czym zmniejsza się krwawienie materiału.

TIM-y wykonane z metalu

Metalowe materiały termoprzewodzące mogą mieć różne kształty i obecnie nie są już ograniczone do zastosowań lutowniczych. W wielu zastosowaniach TIM wykonane z metalu można bardzo dobrze przerobić, a także bez problemu można je poddać recyklingowi.
Ostatnio wzrosło zapotrzebowanie na wysokowydajne TIM-y w specjalnych urządzeniach, takich jak wzmacniacze mocy i moduły IGBT, a wiodący producenci badają inne rodzaje metalowych TIM-ów.
Dobrymi przykładami są: metale ciekłe, metale o przemianie fazowej i SMA-TIM (stopy metali miękkich).
Z pewnością najłatwiejszy w użyciu jest miękki lub ściśliwy metalowy materiał termoprzewodzący (SMA-TIM). Metalowe TIM są wysoce przewodzące ciepło, niezawodne i łatwe w użyciu z metalami ściśliwymi.

Ostatnio opracowano również materiał hybrydowy, który składa się z przewodzącej ciepło folii silikonowej z jednej strony i folii miedzianej z drugiej. Ten materiał jest szczególnie dobry do tworzenia elastycznych obwodów i ochrony przed zakłóceniami EMI i RFI.

Konkluzja

Niestety interfejsy termiczne są często rozważane dość późno w fazie projektowania systemów chłodzenia. To zdecydowanie nie jest najlepszy sposób działania. W końcu TIM są wyraźnie kluczowym czynnikiem w kosztach projektu zarządzania ciepłem.Dzisiaj zwykle jest coraz więcej nadmiaru ciepła do zagospodarowania, dlatego wyraźnie istnieje duże zapotrzebowanie na wysokowydajne TIM-y.
Przy rozsądnym użytkowaniu materiały termoprzewodzące z pewnością pomogą zmniejszyć rozmiar radiatorów i potrzebę stosowania coraz większych wentylatorów. Ponadto dobry TIM jest łatwiejszą, szybszą i zdecydowanie tańszą opcją niż wymiana radiatorów lub całkowite przeprojektowanie obudowy.