Θερμικά αγώγιμες πάστες, κόλλες, ενώσεις και μονωτικές θερμικές διεπαφές — σκοπός και εφαρμογή

Για να βελτιωθεί η ποιότητα της μεταφοράς θερμότητας από μια επιφάνεια που πρέπει να ψύχεται αποτελεσματικά σε μια συσκευή σχεδιασμένη για την ανάκτηση αυτής της θερμότητας, χρησιμοποιούνται οι λεγόμενες θερμικές διεπαφές.

Μια θερμική διεπαφή είναι ένα στρώμα, συνήθως από μια θερμικά αγώγιμη ένωση πολλαπλών συστατικών, συνήθως μια πάστα ή ένωση.

Οι πιο δημοφιλείς θερμικές διεπαφές σήμερα είναι αυτές που χρησιμοποιούνται για μικροηλεκτρονικά εξαρτήματα σε υπολογιστές: για επεξεργαστές, για τσιπ καρτών βίντεο κ.λπ. Οι θερμικές διεπαφές χρησιμοποιούνται ευρέως σε άλλα ηλεκτρονικά, όπου τα κυκλώματα ισχύος έχουν επίσης υψηλή θέρμανση και επομένως χρειάζονται αποτελεσματική και υψηλής ποιότητας ψύξη... Οι θερμικές διεπαφές ισχύουν επίσης σε όλους τους τύπους συστημάτων παροχής θερμότητας.

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, διάφορες θερμικά αγώγιμες ενώσεις χρησιμοποιούνται στην παραγωγή ηλεκτρονικών ισχύος, ραδιοηλεκτρονικών, εξοπλισμού υπολογιστών και μέτρησης, σε συσκευές με αισθητήρες θερμοκρασίας κ.λπ., δηλαδή όπου συνήθως υπάρχουν εξαρτήματα που θερμαίνονται από το ρεύμα λειτουργίας ή με κάποιο άλλο τρόπο.με μεγάλη απαγωγή θερμότητας. Σήμερα υπάρχουν θερμικές διεπαφές των ακόλουθων μορφών: πάστα, κόλλα, ένωση, μέταλλο, φλάντζα.

Πάστα μεταφοράς θερμότητας

Η θερμική πάστα ή απλά η θερμική πάστα είναι μια πολύ κοινή μορφή σύγχρονης θερμικής διεπαφής. Είναι ένα πολυσυστατικό πλαστικό μείγμα με καλή θερμική αγωγιμότητα. Οι θερμικές πάστες χρησιμοποιούνται για τη μείωση της θερμικής αντίστασης μεταξύ δύο επιφανειών επαφής, για παράδειγμα μεταξύ ενός τσιπ και μιας ψύκτρας.

Χάρη στη θερμικά αγώγιμη πάστα, ο αέρας με τη χαμηλή θερμική του αγωγιμότητα μεταξύ του ψυγείου και της ψυχόμενης επιφάνειας αντικαθίσταται από μια πάστα με σημαντικά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα.

Οι πιο συνηθισμένες πάστες ρωσικής κατασκευής είναι οι KPT-8 και AlSil-3. Οι πάστες Zalman, Cooler Master και Steel Frost είναι επίσης δημοφιλείς.

Οι κύριες απαιτήσεις για τη θερμικά αγώγιμη πάστα είναι να έχει τη χαμηλότερη δυνατή θερμική αντίσταση, να διατηρεί σταθερά τις ιδιότητές της με την πάροδο του χρόνου και σε όλο το εύρος των θερμοκρασιών εργασίας, να είναι εύκολο να εφαρμοστεί και να ξεπλυθεί, και σε ορισμένες περιπτώσεις είναι χρήσιμο ότι υπάρχουν κατάλληλα ηλεκτρικές μονωτικές ιδιότητες.

Η παραγωγή θερμικά αγώγιμων πάστες σχετίζεται με τη χρήση των καλύτερων θερμικά αγώγιμων εξαρτημάτων και πληρωτικών με επαρκώς υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

Μικροδιασπαρμένες και νανοδιασπαρμένες σκόνες και μείγματα με βάση το βολφράμιο, τον χαλκό, τον άργυρο, το διαμάντι, τον ψευδάργυρο και το οξείδιο του αργιλίου, το νιτρίδιο του αλουμινίου και του βορίου, τον γραφίτη, το γραφένιο κ.λπ.

Το συνδετικό στη σύνθεση της πάστας μπορεί να είναι ορυκτό ή συνθετικό λάδι, διάφορα μείγματα και υγρά χαμηλής πτητικότητας. Υπάρχουν θερμικές πάστες των οποίων το συνδετικό πολυμερίζεται στον αέρα.

Συμβαίνει ότι για να αυξηθεί η πυκνότητα της πάστας, προστίθενται στη σύνθεσή της συστατικά που εξατμίζονται εύκολα, έτσι ώστε όταν εφαρμόζεται η πάστα να είναι υγρή και στη συνέχεια να μετατρέπεται σε θερμική διεπαφή με υψηλή πυκνότητα και θερμική αγωγιμότητα. Οι συνθέσεις θερμικής αγωγιμότητας αυτού του τύπου έχουν τη χαρακτηριστική ιδιότητα να επιτυγχάνουν τη μέγιστη θερμική αγωγιμότητα μετά από 5 έως 100 ώρες κανονικής λειτουργίας.

Υπάρχουν πάστες με βάση το μέταλλο που είναι υγρές σε θερμοκρασία δωματίου. Τέτοιες πάστες αποτελούνται από καθαρό γάλλιο και ίνδιο, καθώς και κράματα που βασίζονται σε αυτά.

Οι καλύτερες και πιο ακριβές πάστες είναι φτιαγμένες από ασήμι. Οι πάστες με βάση το οξείδιο του αλουμινίου θεωρούνται βέλτιστες. Το ασήμι και το αλουμίνιο δίνουν τη χαμηλότερη θερμική αντίσταση του τελικού προϊόντος. Οι πάστες με βάση τα κεραμικά είναι φθηνότερες, αλλά και λιγότερο αποτελεσματικές.

Η απλούστερη θερμική πάστα μπορεί να γίνει αναμειγνύοντας τη σκόνη μολύβδου ενός συνηθισμένου μολυβιού γραφίτη που τρίβεται σε γυαλόχαρτο με μερικές σταγόνες ορυκτού λιπαντικού λαδιού.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, μια κοινή χρήση της θερμικής πάστας είναι ως θερμικές διεπαφές σε ηλεκτρονικές συσκευές όπου χρειάζεται και εφαρμόζεται μεταξύ ενός στοιχείου παραγωγής θερμότητας και μιας δομής απαγωγής θερμότητας, για παράδειγμα μεταξύ ενός επεξεργαστή και ενός ψυγείου.

Το κύριο πράγμα που πρέπει να προσέξετε όταν χρησιμοποιείτε θερμικά αγώγιμη πάστα είναι να διατηρείτε το πάχος της στρώσης στο ελάχιστο. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι απαραίτητο να ακολουθήσετε αυστηρά τις συστάσεις του κατασκευαστή της πάστας.

Λίγη πάστα εφαρμόζεται στην περιοχή θερμικής επαφής των δύο μερών και στη συνέχεια απλά θρυμματίζεται ενώ πιέζονται οι δύο επιφάνειες μεταξύ τους. Έτσι, η πάστα θα γεμίσει τα μικρότερα κοιλώματα στις επιφάνειες και θα συμβάλει στο σχηματισμό ενός ομοιογενούς περιβάλλοντος κατανομής και μεταφοράς της θερμότητας προς τα έξω.

Το θερμικό γράσο είναι καλό για την ψύξη διαφόρων συγκροτημάτων και εξαρτημάτων ηλεκτρονικών, η απελευθέρωση θερμότητας των οποίων είναι υψηλότερη από την επιτρεπτή για ένα συγκεκριμένο εξάρτημα, ανάλογα με τον τύπο και τα χαρακτηριστικά μιας συγκεκριμένης περίπτωσης. Μικροκυκλώματα και τρανζίστορ τροφοδοτικών μεταγωγής, γραμμικοί σαρωτές συσκευών λαμπτήρων εικόνας, στάδια ισχύος ακουστικών ενισχυτών κ.λπ. Είναι κοινά μέρη για χρήση θερμικής πάστας.

Κόλλα μεταφοράς θερμότητας

Όταν η χρήση θερμοαγώγιμης πάστας είναι αδύνατη για κάποιο λόγο, για παράδειγμα, λόγω της αδυναμίας να πιέσουν σφιχτά τα εξαρτήματα μεταξύ τους με συνδετήρες, καταφεύγουν στη χρήση θερμοαγώγιμης κόλλας. Η ψύκτρα είναι απλά κολλημένη στο τρανζίστορ, τον επεξεργαστή, το τσιπ κ.λπ.

Η σύνδεση αποδεικνύεται αδιαχώριστη, επομένως απαιτεί πολύ ακριβή προσέγγιση και συμμόρφωση με την τεχνολογία για σωστή και υψηλής ποιότητας κόλληση. Εάν παραβιαστεί η τεχνολογία, το πάχος της θερμικής διεπαφής μπορεί να αποδειχθεί πολύ μεγάλο και η θερμική αγωγιμότητα του συνδέσμου θα επιδεινωθεί.

Θερμικά αγώγιμα μείγματα γλάστρας

Όταν, εκτός από την υψηλή θερμική αγωγιμότητα, απαιτείται ερμητικότητα, ηλεκτρική και μηχανική αντοχή, οι ψυχόμενες μονάδες απλώς γεμίζονται με ένα πολυμεριζόμενο μείγμα, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να μεταφέρει θερμότητα από το θερμαινόμενο εξάρτημα στο περίβλημα της συσκευής.

Εάν η ψυχόμενη μονάδα πρέπει να διαχέει πολλή θερμότητα, τότε η ένωση πρέπει επίσης να έχει επαρκή αντίσταση στη θέρμανση, στον θερμικό κύκλο και να μπορεί να αντέξει τη θερμική καταπόνηση που προκύπτει από τη διαβάθμιση θερμοκρασίας μέσα στη μονάδα.

Μέταλλα χαμηλής τήξης

Οι θερμικές διεπαφές κερδίζουν όλο και μεγαλύτερη δημοτικότητα με βάση τη συγκόλληση δύο επιφανειών με ένα μέταλλο χαμηλής τήξης. Εάν η τεχνολογία εφαρμοστεί σωστά, είναι δυνατό να επιτευχθεί ρεκόρ χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας, αλλά η μέθοδος είναι πολύπλοκη και φέρει πολλούς περιορισμούς.

Πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο να προετοιμαστούν ποιοτικά οι επιφάνειες ζευγαρώματος για εγκατάσταση, ανάλογα με το υλικό τους, αυτό μπορεί να είναι ένα δύσκολο έργο.

Σε βιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας, είναι δυνατή η συγκόλληση οποιωνδήποτε μετάλλων, παρά το γεγονός ότι ορισμένα από αυτά απαιτούν ειδική προετοιμασία επιφάνειας. Στην καθημερινή ζωή, μόνο τα μέταλλα που προσφέρονται για επικασσιτέρωση θα είναι ποιοτικά συνδεδεμένα: χαλκός, ασήμι, χρυσός κ.λπ.

Τα κεραμικά, το αλουμίνιο και τα πολυμερή δεν προσφέρονται καθόλου για επικασσιτέρωση, με αυτά η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη, εδώ δεν θα είναι δυνατό να επιτευχθεί γαλβανική απομόνωση των εξαρτημάτων.

Πριν ξεκινήσετε τη συγκόλληση, οι μελλοντικές επιφάνειες που πρόκειται να ενωθούν πρέπει να καθαριστούν από τυχόν ακαθαρσίες. Είναι σημαντικό να το κάνετε αποτελεσματικά, να το καθαρίσετε από ίχνη διάβρωσης, γιατί σε χαμηλές θερμοκρασίες οι ροές γενικά δεν βοηθούν.

Ο καθαρισμός γίνεται συνήθως μηχανικά με χρήση αλκοόλης, αιθέρα ή ακετόνης. Είναι για αυτό που μερικές φορές υπάρχουν στη συσκευασία θερμικής διεπαφής ένα σκληρό πανί και ένα μαντηλάκι με οινόπνευμα.Η εργασία πρέπει να γίνεται με γάντια, αφού το λίπος που μπορεί να ληφθεί από τα χέρια σίγουρα θα επιδεινώσει την ποιότητα της συγκόλλησης.

Η ίδια η συγκόλληση πρέπει να γίνεται με θέρμανση και συμμόρφωση με την αντοχή που καθορίζεται από τον κατασκευαστή. Ορισμένες από τις βιομηχανικές θερμικές διεπαφές απαιτούν υποχρεωτική προθέρμανση των συνδεδεμένων εξαρτημάτων στους 60-90 °C και αυτό μπορεί να είναι επικίνδυνο για ορισμένα ευαίσθητα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Η αρχική θέρμανση γίνεται συνήθως με πιστολάκι μαλλιών και στη συνέχεια η συγκόλληση ολοκληρώνεται με αυτοθέρμανση της συσκευής εργασίας.

Οι θερμικές διεπαφές αυτού του τύπου πωλούνται σε μορφή φύλλου glory με σημείο τήξης ελαφρώς πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου, καθώς και σε μορφή πάστας. Για παράδειγμα, το κράμα Fields σε μορφή φύλλου έχει σημείο τήξης 50 ° C. Το Galinstan με τη μορφή πάστας λιώνει σε θερμοκρασία δωματίου. Σε αντίθεση με το αλουμινόχαρτο, οι πάστες είναι πιο δύσκολες στη χρήση γιατί πρέπει να είναι πολύ καλά ενσωματωμένες στις επιφάνειες που πρόκειται να συγκολληθούν, ενώ το αλουμινόχαρτο απαιτεί μόνο σωστή θέρμανση κατά τη συναρμολόγηση.

Μονωτικά παρεμβύσματα

Στα ηλεκτρονικά ισχύος, συχνά απαιτείται ηλεκτρική μόνωση μεταξύ των στοιχείων μεταφοράς θερμότητας και ψύκτρας. Επομένως, όταν η θερμικά αγώγιμη πάστα δεν είναι κατάλληλη, χρησιμοποιούνται υποστρώματα σιλικόνης, μαρμαρυγίας ή κεραμικά.

Τα εύκαμπτα μαλακά μαξιλάρια είναι κατασκευασμένα από σιλικόνη, τα σκληρά μαξιλάρια είναι κατασκευασμένα από κεραμικό. Υπάρχουν πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων με βάση ένα φύλλο χαλκού ή αλουμινίου καλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα κεραμικού, πάνω στο οποίο εφαρμόζονται ίχνη από φύλλο χαλκού.

Συνήθως πρόκειται για σανίδες μονής όψης, στη μία πλευρά της πίστας, και στην άλλη υπάρχει μια επιφάνεια για προσάρτηση στο ψυγείο.

Επιπλέον, σε ειδικές περιπτώσεις, παράγονται εξαρτήματα ισχύος στα οποία το μεταλλικό τμήμα του περιβλήματος, το οποίο είναι στερεωμένο στο ψυγείο, καλύπτεται αμέσως με ένα στρώμα εποξειδικής.

Χαρακτηριστικά της χρήσης θερμικών διεπαφών

Κατά την εφαρμογή και την αφαίρεση της θερμικής διεπαφής, είναι απαραίτητο να ακολουθείτε αυστηρά τις συστάσεις του κατασκευαστή της, καθώς και του κατασκευαστή της συσκευής ψύξης (ψύξης). Είναι σημαντικό να είστε ιδιαίτερα προσεκτικοί όταν εργάζεστε με ηλεκτρικά αγώγιμες θερμικές διεπαφές, καθώς η περίσσεια μπορεί να εισέλθει σε άλλα κυκλώματα και να προκαλέσει βραχυκύκλωμα.