Värmeledande pastor, lim, sammansättningar och isolerande termiska gränssnitt – syfte och tillämpning

För att förbättra kvaliteten på värmeöverföringen från en yta som behöver kylas effektivt till en anordning utformad för att återvinna denna värme, används så kallade termiska gränssnitt.

En termisk gränsyta är ett skikt, vanligtvis av en flerkomponents termiskt ledande förening, vanligtvis en pasta eller förening.

De mest populära termiska gränssnitten idag är de som används för mikroelektroniska komponenter i datorer: för processorer, för grafikkortschip, etc. Termiska gränssnitt används i stor utsträckning inom annan elektronik, där kraftkretsar också upplever hög uppvärmning och därför behöver effektiv och högkvalitativ kylning... Termiska gränssnitt är även tillämpbara i alla typer av värmeförsörjningssystem.

På ett eller annat sätt används olika värmeledande föreningar vid tillverkning av kraftelektronik, radioelektronik, beräknings- och mätutrustning, i apparater med temperatursensorer etc., det vill säga där det vanligtvis finns komponenter som värms upp av driftströmmen resp. på något annat sätt.med stor värmeavledning. Idag finns det termiska gränssnitt av följande former: pasta, lim, förening, metall, packning.

Värmeöverföringspasta

Termisk pasta eller helt enkelt termisk pasta är en mycket vanlig form av modernt termiskt gränssnitt. Det är en flerkomponent plastblandning med god värmeledningsförmåga. Termiska pastor används för att minska det termiska motståndet mellan två kontaktytor, till exempel mellan ett chip och en kylfläns.

Tack vare den värmeledande pastan ersätts luften med sin låga värmeledningsförmåga mellan radiatorn och den kylda ytan av en pasta med betydligt högre värmeledningsförmåga.

De vanligaste rysktillverkade pastorna är KPT-8 och AlSil-3. Zalman, Cooler Master och Steel Frost pastor är också populära.

Huvudkraven för den värmeledande pastan är att den har lägsta möjliga värmebeständighet, att den stabilt bibehåller sina egenskaper över tid och genom hela arbetstemperaturområdet, att den är lätt att applicera och tvätta bort, och i vissa fall är användbart att det finns lämpliga elektriska isolerande egenskaper.

Tillverkningen av värmeledande pastor är relaterad till användningen av de bästa värmeledande komponenterna och fyllmedlen med tillräckligt hög värmeledningsförmåga.

Mikrodispergerade och nanodispergerade pulver och blandningar baserade på volfram, koppar, silver, diamant, zink och aluminiumoxid, aluminium och bornitrid, grafit, grafen, etc.

Bindemedlet i kompositionen av pastan kan vara mineralolja eller syntetisk olja, olika blandningar och vätskor med låg flyktighet. Det finns termiska pastor vars bindemedel polymeriseras i luft.

Det händer att för att öka pastans densitet läggs lätt förångade komponenter till dess sammansättning så att pastan när den appliceras är flytande och sedan förvandlas till ett termiskt gränssnitt med hög densitet och värmeledningsförmåga. Värmekonduktivitetskompositioner av denna typ har den karakteristiska egenskapen att uppnå maximal värmeledningsförmåga efter 5 till 100 timmars normal drift.

Det finns metallbaserade pastor som är flytande vid rumstemperatur. Sådana pastor består av rent gallium och indium, samt legeringar baserade på dem.

De bästa och dyraste pastorna är gjorda av silver. Pastor baserade på aluminiumoxid anses vara optimala. Silver och aluminium ger slutproduktens lägsta termiska motstånd. Keramikbaserade pastor är billigare, men också mindre effektiva.

Den enklaste termiska pastan kan göras genom att blanda blypulvret från en vanlig grafitpenna som gnides på sandpapper med några droppar mineralsmörjolja.

Som noterats ovan är en vanlig användning av termisk pasta som termiska gränssnitt i elektroniska anordningar där det behövs och appliceras mellan ett värmealstrande element och en värmeavledande struktur, till exempel mellan en processor och en kylare.

Det viktigaste att observera när du använder värmeledande pasta är att hålla skiktets tjocklek till ett minimum. För att uppnå detta är det nödvändigt att strikt följa rekommendationerna från tillverkaren av pastan.

Lite pasta appliceras på den termiska kontaktytan av de två delarna och smulas sedan helt enkelt sönder samtidigt som de två ytorna pressas ihop. Således kommer pastan att fylla de minsta groparna på ytorna och kommer att bidra till bildandet av en homogen miljö för distribution och överföring av värme till utsidan.

Termiskt fett är bra för att kyla olika sammansättningar och komponenter av elektronik, vars värmeavgivning är högre än vad som är tillåtet för en viss komponent, beroende på typen och egenskaperna hos ett visst fall. Mikrokretsar och transistorer för switchande strömförsörjning, linjära skannrar av bildlampenheter, effektsteg för akustiska förstärkare, etc. De är vanliga ställen att använda termisk pasta.

Värmeöverföringslim

När användningen av värmeledande pasta är omöjlig av någon anledning, till exempel på grund av oförmågan att tätt pressa komponenterna mot varandra med fästelement, tillgriper de användningen av värmeledande lim. Kylflänsen är helt enkelt limmad på transistorn, processorn, chippet etc.

Anslutningen visar sig vara oskiljaktig, därför kräver den ett mycket exakt tillvägagångssätt och överensstämmelse med tekniken för korrekt och högkvalitativ limning. Om tekniken kränks kan tjockleken på det termiska gränssnittet visa sig vara mycket stor och fogens värmeledningsförmåga kommer att försämras.

Termiskt ledande ingjutningsblandningar

När, förutom hög värmeledningsförmåga, hermeticitet, elektrisk och mekanisk styrka krävs, fylls de kylda modulerna helt enkelt med en polymeriserbar blandning, som är utformad för att överföra värme från den uppvärmda komponenten till apparathöljet.

Om den kylda modulen måste avleda mycket värme, måste blandningen också ha tillräcklig motståndskraft mot uppvärmning, termisk cykling och kunna motstå den termiska påkänning som härrör från temperaturgradienten inuti modulen.

Lågtsmältande metaller

Termiska gränssnitt vinner mer och mer popularitet baserat på lödning av två ytor med en lågsmältande metall. Om tekniken tillämpas korrekt är det möjligt att få rekordlåg värmeledningsförmåga, men metoden är komplex och har många begränsningar.

Först och främst är det nödvändigt att kvalitativt förbereda de passande ytorna för installation, beroende på deras material kan detta vara en svår uppgift.

I högteknologiska industrier är det möjligt att löda vilka metaller som helst, trots att vissa av dem kräver speciell ytbehandling. I vardagen kommer endast metaller som lämpar sig väl för förtenning att bindas kvalitativt: koppar, silver, guld, etc.

Keramik, aluminium och polymerer lämpar sig inte för förtenning alls, med dem är situationen mer komplicerad, här kommer det inte att vara möjligt att uppnå galvanisk isolering av delarna.

Innan lödning påbörjas måste de framtida ytorna som ska fogas rengöras från eventuell smuts. Det är viktigt att göra det effektivt, att rengöra det från spår av korrosion, för vid låga temperaturer kommer flöden i allmänhet inte att hjälpa.

Rengöring sker vanligtvis mekaniskt med alkohol, eter eller aceton. Det är för detta som en hård trasa och en alkoholservett ibland finns i det termiska gränssnittspaketet.Arbetet måste utföras med handskar, eftersom fettet som kan erhållas från händerna säkerligen kommer att försämra kvaliteten på lödningen.

Själva lödningen måste göras med uppvärmning och överensstämmelse med den styrka som anges av tillverkaren. Vissa av de industriella termiska gränssnitten kräver obligatorisk förvärmning av de anslutna delarna till 60-90 °C och detta kan vara farligt för vissa känsliga elektroniska komponenter. Initial uppvärmning görs vanligtvis med en hårtork, och sedan avslutas lödningen genom självuppvärmning av arbetsanordningen.

Termiska gränssnitt av denna typ säljs i form av glansfolie med en smältpunkt något över rumstemperatur, såväl som i form av pastor. Till exempel har Fields legering i form av folie en smältpunkt på 50 ° C. Galinstan i form av en pasta smälter vid rumstemperatur. Till skillnad från folie är pastor svårare att använda eftersom de måste vara mycket väl inbäddade i ytorna som ska lödas, medan folie bara kräver ordentlig uppvärmning vid montering.

Isolerande packningar

Inom kraftelektronik krävs ofta elektrisk isolering mellan värmeöverföring och kylflänselement. Därför, när värmeledande pasta inte är lämplig, används silikon, glimmer eller keramiska substrat.

Flexibla mjuka kuddar är gjorda av silikon, hårda kuddar är gjorda av keramik. Det finns tryckta kretskort baserade på en koppar- eller aluminiumplåt täckt med ett tunt lager keramik, på vilket spår av kopparfolie appliceras.

Vanligtvis är dessa ensidiga brädor, på ena sidan av banan, och på den andra finns en yta för infästning på radiatorn.

Dessutom produceras i speciella fall kraftkomponenter där metalldelen av huset, som är fäst vid kylaren, omedelbart täcks med ett lager av epoxi.

Funktioner för användningen av termiska gränssnitt

När du applicerar och tar bort det termiska gränssnittet är det nödvändigt att strikt följa rekommendationerna från dess tillverkare, såväl som tillverkaren av den kylda (kylnings) enheten. Det är viktigt att vara särskilt försiktig när du arbetar med elektriskt ledande termiska gränssnitt, eftersom dess överskott kan komma in i andra kretsar och orsaka kortslutning.