Выбор подходящего материала термоинтерфейса: паста, прокладка или фольга

Выбор подходящего материала термоинтерфейса

Знание требований вашего приложения
ключ к выбору правильных материалов термоинтерфейса

Когда дело доходит до выбора правильного теплового материала, многие люди не знают, что именно искать. В этой статье мы хотели бы дать вам все, что вам нужно знать о материалах для термоинтерфейса.
Как только производительность компонентов увеличивается, потребность в охлаждении также увеличивается соответственно. Как правило, частота отказов удваивается при повышении температуры перехода на каждые 10 °C. В результате тепло от компонентов должно отводиться потоку окружающего воздуха.
Спрос велик, поэтому было разработано большое количество новых систем управления температурным режимом. Почти во всех из них по-прежнему используются материалы теплового интерфейса (TIMS), которые предназначены для обеспечения эффективного потока тепла через соответствующие интерфейсы систем охлаждения.
Основная задача ТИМ — гарантировать эффективную передачу тепла к рассеивающим устройствам, таким как радиаторы или коллекторы. По мере прохождения тепла оно неоднократно встречает сопротивление, которое усложняет и затрудняет общий теплообмен. ТИМы помогают преодолеть наиболее проблемное сопротивление. Речь идет о переходном сопротивлении между контрагентами (источник тепла-радиатор).
Это связано с тем, что воздушные зазоры значительно уменьшают поток тепла от горячего компонента к холодному. Эффективный TIM заменяет существующие зазоры, созданные негладкими сопрягаемыми поверхностями. Делается это с помощью специального материала, теплопроводность которого значительно больше, чем у воздуха. Здесь плохая проводимость точечных контактов и воздуха заменяется значительно улучшенной проводимостью через твердые тела.
Большинство ТИМ представляют собой композиты на полимерной основе. Они заполнены частицами наполнителя, обладающими теплопроводностью. Обычными наполнителями являются оксид алюминия, нитрид бора, нитрид алюминия и оксид магния. Если гальваническая изоляция не требуется, можно также использовать металлические наполнители, такие как серебро. Для уменьшения контактного сопротивления требуется определенное давление между интерфейсами. Затем это давление сжимает частицы наполнителя, позволяя материалу проникать в неровности поверхности. Когда материал находится на месте, эффективное тепловое сопротивление ТИМ включает объемное удельное сопротивление материала и контактное сопротивление между ТИМ и его интерфейсами.

Проблемы применения термоинтерфейсных материалов

Хотя тепловые интерфейсы и TIM обычно рассматриваются на ранних этапах процесса проектирования, затем следует учитывать некоторые конкретные факторы при фактическом выборе материала теплового интерфейса:

• Наиболее важной характеристикой, безусловно, является тепловой импеданс, который измеряется в градусах Kin2/Вт. Это специфическая для приложения мера отношения
  разница температур между двумя сопрягаемыми поверхностями к стационарному тепловому потоку через эти поверхности. Из-за дополнительного монтажного давления и размера площади
  тепловое сопротивление обычно уменьшается при увеличении толщины ТИМ.
• Способность материала проводить тепло независимо от его толщины называется теплопроводностью и измеряется в Вт/мК. Хотя TIM можно сравнить со значениями теплопроводности, это значение не указывает, насколько хороша способность материала минимизировать контактное сопротивление.
• Большое значение имеет также расстояние (зазор) между источником тепла и распределителем тепла. Обычно чем тоньше TIM, тем лучше. Однако границы раздела никогда не бывают идеальными, поэтому для компенсации неровностей требуется материал минимальной толщины.
• При выборе типа материала решающим фактором является плоскостность поверхностей реза. Например, если обе поверхности гладкие, смазка или тонкие пленки — очень хороший вариант, но это бывает редко. Это связано с тем, что пластиковые ИС обычно вогнуты посередине. Если радиатор очень гладкий, контактная поверхность уменьшается, особенно на краю. Это оставляет воздушный карман в середине.
• Иногда требуется электрическая изоляция, измеряемая в кВ. ТИМы на силиконовой основе разделяют это свойство с более толстыми материалами, такими как термопрокладки (заполнители зазоров).
  Однако более тонкие материалы с фазовым переходом и смазки не обязательно являются надежными электрическими изоляторами. Графит сам по себе электропроводен.
• При работе с неровными поверхностями решающее значение имеет сжимаемость. Хороший пример — когда вы хотите охватить целый ряд компонентов. Например, если к ТИМ на основе силикона приложить тепло и избыточное давление, силикон может вытечь и мигрировать вдоль печатной платы. Если давление недостаточно, на границе раздела возникнет избыточное тепловое сопротивление.
• Важен и температурный диапазон, в котором можно использовать материал. Например, TIM на основе силикона могут выдерживать более высокие температуры, чем варианты без силикона.
• Для большинства применений TIM требуется класс огнестойкости UL. Большинство материалов на выбор доступны со значениями V0, которые соответствуют типовым требованиям.
• В общем, силикон — отличный термоматериал с высоким температурным диапазоном. Тем не менее, есть области, в которых необходимо использовать варианты без силикона. Например, использование силикона в космосе невозможно из-за газовыделения.
• Также стоит обратить внимание на простое приложение. В конце концов, тип крепления — это четкое решение по стоимости и производительности. Например, небольшие радиаторы обычно просто крепятся двухсторонней термолентой, а для более крупных радиаторов требуется дополнительное оборудование. Клеи могут быть нанесены на обе или на одну сторону теплового материала по мере необходимости. Здесь следует отметить, что тепловое сопротивление увеличивается с каждым слоем клея.
• Следует также спросить, насколько легко обращаться с выбранными материалами в производственной среде. Можно ли просто переработать материалы, если, например, придется снимать радиатор? Материалы с фазовым переходом и термопасту необходимо полностью заменить, а некоторые термопрокладки можно использовать повторно.
• И, наконец, следует также учитывать долговременную стабильность материала. Это зависит от таких факторов, как рабочая температура, время, область применения и свойства материала.

Варианты материала термоинтерфейса

Материалы с фазовым переходом (PCM)

Уникальность материалов с фазовым переходом (PCM) заключается в том, что они претерпевают переход из твердой фазы в полутвердую с использованием тепла от операционного процессора и небольшого давления зажима. Полутвердая фаза имеет свойство очень легко приспосабливаться к обеим поверхностям. Способность полностью заполнять межфазные воздушные зазоры и поверхностные пустоты при легком сжатии позволяет этому материалу работать наравне с термопастой.
PCM гораздо менее жидкий, чем жир. Однако ПКМ содержат парафины, и в момент достижения температуры плавления ПКМ могут вытекать из узких мест.

К счастью, недавно представленные PCM больше не основаны на воске, поэтому они не капают. С PCM очень легко обращаться при нормальной комнатной температуре, потому что они твердые. Это обеспечивает больший контроль при нанесении сплошных прокладок на поверхность радиатора. Многие прокладки фазового перехода создают очень прочную клеевую связь между радиатором и процессором. Из-за этого необходимо соблюдать осторожность при снятии радиатора с процессора. Небольшое скручивающее движение обычно помогает при удалении. Применение слишком большого усилия может привести к повреждению процессора.

термопаста

Теплопроводные пасты обычно представляют собой силикон, обогащенный теплопроводными наполнителями. Закалка обычно не требуется, и они могут идеально адаптироваться к интерфейсам. Термоинтерфейсы могут быть легко переработаны. Однако перед установкой радиатора необходимо убедиться, что нанесено достаточное количество пасты или смазки. Слишком мало смазки может привести к зазорам между радиатором и процессором. С другой стороны, слишком много смазки также может быть контрпродуктивным, поскольку это может привести к образованию воздушных зазоров и утечке за пределы интерфейса. Следует также отметить, что при длительном использовании и вообще со временем некоторые смазки могут портиться или засыхать. Конечно, это отрицательно сказывается на показателях теплопередачи. Тем не менее, теплопроводящие пасты в качестве интерфейсных материалов (ТИМ)
первый выбор в приложениях с высокопроизводительными процессорами, несмотря на упомянутые выше недостатки. В основном это связано с тем, что теплопроводность термопасты составляет порядка 10 Вт/мК, что явно выше, чем у других ТИМ.

Наполнитель заполнения

Одним из крупнейших сегментов рынка для TIM являются заполнители пробелов. Они могут поставляться с различной силой. Эти эффективные, мягкие и хорошо проводящие тепло материалы могут закрывать зазоры до 15 мм. Практичные заполнители зазоров могут охватывать несколько компонентов разной высоты, а затем передавать тепло в общий теплораспределитель. Эти прокладки популярны и часто используются, когда требуется небольшое усилие сжатия. Таким образом, относительно высокая сжимаемость является важной особенностью этого типа ТИМ. Заполнители зазоров также могут иметь индивидуальную форму, и, в частности, новые соединения для заполнения зазоров Formin-Place являются популярным вариантом для автоматизации больших соединений.
тома.

термопленка

Теплопроводящая фольга не только обеспечивает теплопередачу, но и обеспечивает электрическую изоляцию. С точки зрения сопротивления разрыву и устойчивости к проколу термопленки обладают превосходной долговечностью. Силиконовые и несиликоновые (например, полиуретановые с керамическим наполнителем) термоинтерфейсы и графитовые материалы попадают в эту категорию. Диапазон теплопроводностей и ценовых диапазонов широк, так что каждый сможет найти подходящее решение.

Подушечки для зазора

Термопрокладки обычно состоят из формованного неармированного силикона с проводящими наполнителями. Усиление термопрокладки обычно представляет собой тканое стекло, металлическую фольгу или полимерные пленки. Удобные термопрокладки обычно предварительно нарезаются разных размеров для размещения компонентов разного размера. В то время как материалы с фазовым переходом и термопаста явно лучше с точки зрения проводимости, термопрокладки имеют то преимущество, что они являются дешевым и удобным вариантом для приложений с более низкими требованиями к охлаждению.

графитовая фольга

Этот экономичный вариант используется давно. Фольга электропроводна и может использоваться при очень высоких температурах до 500 ºC. Некоторые провайдеры выравнивают волокна по горизонтали. Это приводит к очень разным измерениям теплопроводности. Есть материал, который показывает 7,0 Вт/мК по оси x и 150,0 Вт/мК по оси yz — явная разница.

Двусторонние термоленты

Термолента может состоять из никелированной медной сетки тонкого плетения, которая плотно прилегает к неровным монтажным поверхностям. Для крепления небольших радиаторов к компонентам очень часто используют теплопроводные двухсторонние клейкие ленты из ПСА. Важными факторами здесь являются прочность на отслаивание, прочность на сдвиг внахлест и продавливание, удерживающая способность и термическое сопротивление. Что касается показателей теплопроводности двухсторонних липких лент, то они находятся на среднем уровне. Хотя вы экономите на дополнительных сборочных деталях, ленты имеют проблемы с неровными поверхностями компонентов и поэтому имеют ограниченное применение. Пластиковые ИС обычно вогнуты посередине, а поверхности радиатора различаются, что может привести к появлению воздушных зазоров в интерфейсе.

термоклеи

Термоклеи, также называемые термоклеями, могут быть как одно-, так и двухкомпонентными системами. Они снабжены токопроводящими наполнителями. Нанесение обычно осуществляется дозированием или трафаретной печатью. Отверждение клея необходимо для безопасного сшивания полимера, что обеспечивает клеящие свойства. Тот факт, что термические клеи обеспечивают структурную поддержку, устраняя необходимость в механическом зажиме, безусловно, является самым большим преимуществом этого TIM.

термогели

Гели представляют собой материал, аналогичный жирам, но слегка сшитый. Поведение, соответственно, аналогично, с уменьшением просачивания материала.

ТИМы из металла

Материалы металлического термоинтерфейса могут изготавливаться любой формы, и в настоящее время они больше не ограничиваются пайкой. Во многих случаях металлические ТИМ очень хорошо поддаются переработке, а также без проблем перерабатываются.
В последнее время возросла потребность в высокопроизводительных ТИМ в специальных устройствах, таких как усилители мощности и модули IGBT, что побудило производителей исследовать другие типы металлических ТИМ.
Хорошими примерами являются: жидкие металлы, металлы с фазовым переходом и SMA-TIM (сплавы мягких металлов).
Конечно, проще всего использовать мягкий или сжимаемый металлический термоинтерфейс (SMA-TIM). Металлические ТИМ обладают высокой теплопроводностью, надежны и просты в использовании со сжимаемыми металлами.

Недавно также был разработан гибридный материал, который состоит из теплопроводной силиконовой пленки с одной стороны и медной пленки с другой. Этот материал особенно хорош для изготовления гибких схем и защиты от электромагнитных и радиопомех.

Заключение

К сожалению, тепловые интерфейсы часто рассматриваются только на позднем этапе проектирования систем охлаждения. Это определенно не лучший вариант действий. В конце концов, TIM, несомненно, являются ключевым фактором, влияющим на стоимость конструкции управления температурным режимом.Сегодня, как правило, приходится управлять все большим и большим количеством избыточного тепла, поэтому очевидно, что существует высокий спрос на высокопроизводительные TIM.
При разумном использовании теплоизоляционные материалы помогут уменьшить размер радиаторов и уменьшить потребность во все более и более крупных вентиляторах. Кроме того, хороший TIM — это более простой, быстрый и явно более дешевый вариант, чем замена радиаторов или полная переделка корпуса.