Топлотно проводљиве пасте, лепкови, једињења и изолациони термички интерфејси — сврха и примена

Да би се побољшао квалитет преноса топлоте са површине коју треба ефикасно охладити до уређаја дизајнираног да поврати ову топлоту, користе се такозвани термални интерфејси.

Термички интерфејс је слој, обично од вишекомпонентног топлотно проводљивог једињења, обично пасте или једињења.

Најпопуларнији термални интерфејси данас су они који се користе за микроелектронске компоненте у рачунарима: за процесоре, за чипове за видео картице итд. Термички интерфејси имају широку примену у другој електроници, где се струјна кола такође загревају и стога им је потребно ефикасно и квалитетно хлађење... Термални интерфејси су такође применљиви у свим врстама система за снабдевање топлотом.

На овај или онај начин, различита топлотно проводна једињења се користе у производњи енергетске електронике, радио електронике, рачунарске и мерне опреме, у уређајима са температурним сензорима итд., односно тамо где се најчешће налазе компоненте које се загревају радном струјом или на неки други начин.са великим одвођењем топлоте. Данас постоје термални интерфејси следећих облика: паста, лепак, једињење, метал, заптивка.

Паста за пренос топлоте

Термална паста или једноставно термална паста је веома чест облик модерног термичког интерфејса. То је вишекомпонентна пластична мешавина са добром топлотном проводљивошћу. Термалне пасте се користе за смањење топлотног отпора између две контактне површине, на пример између чипа и хладњака.

Захваљујући топлотно проводљивој пасти, ваздух са ниском топлотном проводљивошћу између радијатора и охлађене површине замењен је пастом са знатно већом топлотном проводљивошћу.

Најчешће пасте руске производње су КПТ-8 и АлСил-3. Популарне су и пасте Залман, Цоолер Мастер и Стеел Фрост.

Главни захтеви за топлотно проводну пасту су да има најмању могућу топлотну отпорност, да стабилно задржава својства током времена и у целом опсегу радних температура, да се лако наноси и испире, ау неким случајевима корисно је да постоје одговарајући електрична изолациона својства.

Производња топлотно проводљивих паста повезана је са употребом најбољих топлотно проводљивих компоненти и пунила са довољно високом топлотном проводљивошћу.

Микродисперзни и нанодисперзни прахови и смеше на бази волфрама, бакра, сребра, дијаманта, цинка и алуминијум оксида, алуминијум и бор нитрида, графита, графена итд.

Везиво у саставу пасте може бити минерално или синтетичко уље, разне мешавине и течности ниске испарљивости. Постоје термалне пасте чије везиво се полимеризује на ваздуху.

Дешава се да се у циљу повећања густине пасте у њен састав додају компоненте које се лако испаравају тако да када се нанесе паста је течна, а затим се претвара у термални интерфејс високе густине и топлотне проводљивости. Композиције топлотне проводљивости овог типа имају карактеристично својство да достижу максималну топлотну проводљивост након 5 до 100 сати нормалног рада.

Постоје пасте на бази метала које су течне на собној температури. Такве пасте се састоје од чистог галијума и индијума, као и легура на њиховој основи.

Најбоље и најскупље пасте су направљене од сребра. Оптималним се сматрају пасте на бази алуминијум оксида. Сребро и алуминијум дају најнижу топлотну отпорност финалног производа. Пасте на бази керамике су јефтиније, али и мање ефикасне.

Најједноставнија термална паста се може направити мешањем оловног праха обичне графитне оловке натрљане на брусни папир са неколико капи минералног уља за подмазивање.

Као што је горе наведено, уобичајена употреба термалне пасте је као термални интерфејс у ​​електронским уређајима где је то потребно и примењује се између елемента који ствара топлоту и структуре за расипање топлоте, на пример између процесора и хладњака.

Главна ствар коју треба посматрати када користите топлотно проводљиву пасту је да дебљина слоја буде минимална. Да бисте то постигли, потребно је стриктно пратити препоруке произвођача пасте.

Мало пасте се наноси на подручје термичког контакта два дела, а затим се једноставно мрви док се две површине притискају заједно. Тако ће паста испунити најмање рупице на површинама и допринеће формирању хомогеног окружења за дистрибуцију и пренос топлоте напоље.

Термомаст је добра за хлађење различитих склопова и компоненти електронике, чије је ослобађање топлоте веће од дозвољеног за одређену компоненту, у зависности од врсте и карактеристика конкретног кућишта. Микро кола и транзистори комутационих извора напајања, линеарни скенери уређаја са лампама за слике, степена снаге акустичких појачала итд. То су уобичајена места за употребу термалне пасте.

Лепак за пренос топлоте

Када је употреба топлотно проводљиве пасте из неког разлога немогућа, на пример, због немогућности чврстог притискања компоненти једни на друге помоћу причвршћивача, прибегавају употреби лепка који проводе топлоту. Хладњак је једноставно залепљен за транзистор, процесор, чип итд.

Испоставља се да је веза неодвојива, па је за правилно и квалитетно лепљење потребан веома прецизан приступ и усклађеност са технологијом. Ако се технологија прекрши, дебљина термичког интерфејса може се показати веома великом и топлотна проводљивост споја ће се погоршати.

Топлотно проводљиве мешавине за заливање

Када је поред високе топлотне проводљивости потребна и херметичност, електрична и механичка чврстоћа, хлађени модули се једноставно пуне мешавином која се полимеризује, која је дизајнирана да преноси топлоту од загрејане компоненте до кућишта уређаја.

Ако хлађени модул мора да распрши много топлоте, онда једињење такође мора имати довољну отпорност на загревање, термички циклус и бити у стању да издржи топлотни стрес који је резултат температурног градијента унутар модула.

Метали ниског топљења

Термички интерфејси добијају све већу популарност засновани на лемљењу две површине металом ниског топљења. Ако се технологија правилно примени, могуће је постићи рекордно ниску топлотну проводљивост, али метода је сложена и носи многа ограничења.

Пре свега, потребно је квалитетно припремити површине за спајање за уградњу, у зависности од њиховог материјала, ово може бити тежак задатак.

У високотехнолошким индустријама могуће је лемити било који метал, упркос чињеници да неки од њих захтевају посебну припрему површине. У свакодневном животу, само метали који се добро подносе калајисању биће квалитативно везани: бакар, сребро, злато итд.

Керамика, алуминијум и полимери се уопште не подлежу калајисању, са њима је ситуација компликованија, овде неће бити могуће постићи галванску изолацију делова.

Пре почетка лемљења, будуће површине које се спајају морају бити очишћене од прљавштине. Важно је то учинити ефикасно, очистити га од трагова корозије, јер на ниским температурама флуксови углавном неће помоћи.

Чишћење се обично врши механички коришћењем алкохола, етра или ацетона. Због тога се понекад у пакету термалног интерфејса налазе тврда крпа и алкохолна марамица.Рад се мора обавити у рукавицама, јер ће маст која се може добити из руку сигурно погоршати квалитет лемљења.

Само лемљење мора бити обављено уз загревање и усклађеност са чврстоћом коју је одредио произвођач. Неки од индустријских термичких интерфејса захтевају обавезно претходно загревање спојених делова на 60-90 °Ц и то може бити опасно за неке осетљиве електронске компоненте. Почетно загревање се обично врши феном, а затим се лемљење завршава самозагревањем радног уређаја.

Термални интерфејси овог типа се продају у облику глори фолије са тачком топљења нешто изнад собне температуре, као иу облику пасте. На пример, Фиелдсова легура у облику фолије има тачку топљења од 50 ° Ц. Галинстан у облику пасте се топи на собној температури. За разлику од фолије, пасте су теже за коришћење јер морају да буду веома добро улетене у површине које се лемљују, док фолија захтева само одговарајуће загревање током монтаже.

Изолационе заптивке

У енергетској електроници, електрична изолација између елемената за пренос топлоте и хладњака је често потребна. Стога, када топлотно проводљива паста није погодна, користе се силиконске, лискунске или керамичке подлоге.

Флексибилни мекани јастучићи су направљени од силикона, тврди јастучићи су од керамике. Постоје штампане плоче на бази бакарног или алуминијумског лима прекривеног танким слојем керамике, на коју се наносе трагови бакарне фолије.

Обично су то једностране плоче, на једној страни стазе, а на другој је површина за причвршћивање на радијатор.

Поред тога, у посебним случајевима се производе енергетске компоненте у којима је метални део кућишта, који је причвршћен за радијатор, одмах прекривен слојем епоксида.

Особине употребе термичких интерфејса

Приликом наношења и уклањања термичког интерфејса потребно је стриктно поштовати препоруке његовог произвођача, као и произвођача хлађеног (расхладног) уређаја. Важно је бити посебно опрезан када радите са електрично проводљивим термичким интерфејсима, јер његов вишак може ући у друга кола и изазвати кратак спој.