Thermisch geleidende pasta's, lijmen, verbindingen en isolerende thermische interfaces - doel en toepassing

Om de kwaliteit van de warmteoverdracht te verbeteren van een oppervlak dat effectief moet worden gekoeld naar een apparaat dat is ontworpen om deze warmte terug te winnen, worden zogenaamde thermische interfaces gebruikt.

Een thermische interface is een laag, meestal van een warmtegeleidende verbinding met meerdere componenten, meestal een pasta of verbinding.

De meest populaire thermische interfaces van tegenwoordig zijn die welke worden gebruikt voor micro-elektronische componenten in computers: voor processors, voor videokaartchips, enz. Thermische interfaces worden veel gebruikt in andere elektronica, waar stroomcircuits ook een hoge opwarming ervaren en daarom een ​​efficiënte en hoogwaardige koeling nodig hebben... Thermische interfaces zijn ook toepasbaar in alle soorten warmtetoevoersystemen.

Op de een of andere manier worden verschillende warmtegeleidende verbindingen gebruikt bij de productie van vermogenselektronica, radio-elektronica, computer- en meetapparatuur, in apparaten met temperatuursensoren, enz., dat wil zeggen waar er meestal componenten zijn die worden verwarmd door de bedrijfsstroom of op een andere manier. met grote warmteafvoer. Tegenwoordig zijn er thermische interfaces van de volgende vormen: pasta, lijm, verbinding, metaal, pakking.

Warmteoverdrachtspasta

Koelpasta of kortweg koelpasta is een veel voorkomende vorm van moderne thermische interface. Het is een meercomponenten kunststofmengsel met een goede thermische geleidbaarheid. Koelpasta's worden gebruikt om de thermische weerstand tussen twee contactoppervlakken, bijvoorbeeld tussen een chip en een koellichaam, te verminderen.

Dankzij de warmtegeleidende pasta wordt de lucht met zijn lage warmtegeleiding tussen de radiator en het gekoelde oppervlak vervangen door een pasta met een duidelijk hogere warmtegeleiding.

De meest voorkomende pasta's van Russische makelij zijn KPT-8 en AlSil-3. Zalman, Cooler Master en Steel Frost pasta's zijn ook populair.

De belangrijkste vereisten voor de warmtegeleidende pasta zijn dat het de laagst mogelijke thermische weerstand heeft, dat het zijn eigenschappen stabiel behoudt in de tijd en over het gehele temperatuurbereik, dat het gemakkelijk aan te brengen en af ​​te wassen is, en in sommige gevallen is handig dat er geschikt zijn elektrisch isolerende eigenschappen.

De productie van warmtegeleidende pasta's is gerelateerd aan het gebruik van de beste warmtegeleidende componenten en vulstoffen met voldoende hoge warmtegeleiding.

Microdisperse en nanodisperse poeders en mengsels op basis van wolfraam, koper, zilver, diamant, zink en aluminiumoxide, aluminium en boornitride, grafiet, grafeen, enz.

Het bindmiddel in de samenstelling van de pasta kan minerale of synthetische olie zijn, verschillende mengsels en vloeistoffen met een lage vluchtigheid. Er zijn thermische pasta's waarvan het bindmiddel in lucht wordt gepolymeriseerd.

Het komt voor dat om de dichtheid van de pasta te vergroten, gemakkelijk verdampte componenten aan de samenstelling worden toegevoegd, zodat de pasta bij aanbrengen vloeibaar is en vervolgens verandert in een thermische interface met hoge dichtheid en thermische geleidbaarheid. Thermische geleidbaarheidssamenstellingen van dit type hebben de karakteristieke eigenschap dat ze de maximale thermische geleidbaarheid bereiken na 5 tot 100 uur normaal bedrijf.

Er zijn pasta's op metaalbasis die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur. Dergelijke pasta's bestaan ​​​​uit zuiver gallium en indium, evenals legeringen die daarop zijn gebaseerd.

De beste en duurste pasta's zijn gemaakt van zilver. Pasta's op basis van aluminiumoxide worden als optimaal beschouwd. Zilver en aluminium geven de laagste thermische weerstand van het eindproduct. Pasta's op basis van keramiek zijn goedkoper, maar ook minder effectief.

De eenvoudigste koelpasta kan worden gemaakt door het loodpoeder van een gewoon grafietpotlood dat op schuurpapier is gewreven, te mengen met een paar druppels minerale smeerolie.

Zoals hierboven opgemerkt, wordt thermische pasta veel gebruikt als thermische interfaces in elektronische apparaten waar nodig en toegepast tussen een warmtegenererend element en een warmteafvoerende structuur, bijvoorbeeld tussen een processor en een koeler.

Het belangrijkste om op te letten bij het gebruik van warmtegeleidende pasta is om de dikte van de laag tot een minimum te beperken. Om dit te bereiken, is het noodzakelijk om de aanbevelingen van de fabrikant van de pasta strikt op te volgen.

Er wordt een beetje pasta aangebracht op het thermische contactgebied van de twee delen en vervolgens eenvoudig verkruimeld terwijl de twee oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt. Zo zal de pasta de kleinste putjes op de oppervlakken vullen en bijdragen aan de vorming van een homogene omgeving voor de distributie en overdracht van warmte naar buiten.

Thermisch vet is goed voor het koelen van verschillende samenstellingen en componenten van elektronica, waarvan de warmteafgifte hoger is dan toegestaan ​​voor een bepaald onderdeel, afhankelijk van het type en de kenmerken van een bepaald geval. Microschakelingen en transistors van schakelende voedingen, lineaire scanners van beeldlampapparaten, vermogenstrappen van akoestische versterkers, enz. Het zijn veel voorkomende plaatsen om koelpasta te gebruiken.

Warmteoverdrachtslijm

Wanneer het gebruik van warmtegeleidende pasta om de een of andere reden onmogelijk is, bijvoorbeeld vanwege het onvermogen om de componenten stevig tegen elkaar te drukken met bevestigingsmiddelen, nemen ze hun toevlucht tot het gebruik van warmtegeleidende lijm. De heatsink wordt eenvoudig op de transistor, processor, chip, etc. gelijmd.

De verbinding blijkt onafscheidelijk te zijn, daarom vereist het een zeer nauwkeurige aanpak en naleving van de technologie voor een correcte en hoogwaardige verlijming. Als de technologie wordt geschonden, kan de dikte van de thermische interface erg groot blijken te zijn en zal de thermische geleidbaarheid van de verbinding verslechteren.

Thermisch geleidende potmixen

Wanneer naast een hoge thermische geleidbaarheid hermeticiteit, elektrische en mechanische sterkte vereist zijn, worden de gekoelde modules eenvoudig gevuld met een polymeriseerbaar mengsel, dat is ontworpen om warmte over te dragen van het verwarmde onderdeel naar de behuizing van het apparaat.

Als de gekoelde module veel warmte moet afvoeren, dan moet de compound ook voldoende weerstand hebben tegen opwarming, thermische cycli en bestand zijn tegen de thermische belasting als gevolg van de temperatuurgradiënt in de module.

Laagsmeltende metalen

Thermische interfaces worden steeds populairder op basis van het solderen van twee oppervlakken met een laagsmeltend metaal. Als de technologie correct wordt toegepast, is het mogelijk om een ​​record lage thermische geleidbaarheid te verkrijgen, maar de methode is complex en heeft veel beperkingen.

Allereerst is het noodzakelijk om de passende oppervlakken kwalitatief voor te bereiden voor installatie, afhankelijk van hun materiaal kan dit een moeilijke taak zijn.

In hightech industrieën is het mogelijk om alle metalen te solderen, ondanks het feit dat sommige een speciale voorbereiding van het oppervlak vereisen. In het dagelijks leven worden alleen metalen die zich goed lenen voor vertinnen kwalitatief gebonden: koper, zilver, goud, enz.

Keramiek, aluminium en polymeren lenen zich helemaal niet voor vertinnen, bij hen is de situatie gecompliceerder, hier is het niet mogelijk om galvanische isolatie van de onderdelen te bereiken.

Voordat u begint met solderen, moeten de toekomstige te verbinden oppervlakken worden ontdaan van vuil. Het is belangrijk om het effectief te doen, om het te reinigen van sporen van corrosie, omdat bij lage temperaturen fluxen over het algemeen niet helpen.

Reiniging gebeurt meestal mechanisch met behulp van alcohol, ether of aceton. Hiervoor zijn soms een harde doek en een alcoholdoekje aanwezig in het thermische interfacepakket.Het werk moet met handschoenen worden gedaan, aangezien het vet dat uit de handen kan worden gehaald, de kwaliteit van het solderen zeker zal verslechteren.

Het solderen zelf moet worden gedaan met verwarming en met inachtneming van de door de fabrikant opgegeven sterkte. Sommige industriële thermische interfaces vereisen verplichte voorverwarming van de aangesloten onderdelen tot 60-90 °C en dit kan gevaarlijk zijn voor sommige gevoelige elektronische componenten. De eerste verwarming gebeurt meestal met een föhn en vervolgens wordt het solderen voltooid door zelfverhitting van het werkende apparaat.

Dergelijke thermische interfaces worden verkocht in de vorm van gloriefolie met een smeltpunt iets boven kamertemperatuur, evenals in de vorm van pasta's. De legering van Fields in de vorm van folie heeft bijvoorbeeld een smeltpunt van 50°C. Galinstan in de vorm van een pasta smelt bij kamertemperatuur. In tegenstelling tot folie zijn pasta's moeilijker te gebruiken omdat ze heel goed ingebed moeten zijn in de te solderen oppervlakken, terwijl folie alleen tijdens de montage goed moet worden verwarmd.

Isolatie pakkingen

In vermogenselektronica is vaak een galvanische scheiding tussen warmteoverdrachts- en koellichaamelementen vereist. Daarom, wanneer warmtegeleidende pasta niet geschikt is, worden siliconen, mica of keramische substraten gebruikt.

Flexibele zachte pads zijn gemaakt van siliconen, harde pads zijn gemaakt van keramiek. Er zijn printplaten op basis van een koperen of aluminium plaat bedekt met een dun laagje keramiek, waarop sporen van koperfolie zijn aangebracht.

Meestal zijn dit enkelzijdige platen, aan de ene kant van de baan en aan de andere kant een oppervlak voor bevestiging aan de radiator.

Daarnaast worden in bijzondere gevallen vermogenscomponenten geproduceerd waarbij het metalen deel van de behuizing, dat aan de radiator is bevestigd, direct wordt bedekt met een laag epoxy.

Kenmerken van het gebruik van thermische interfaces

Bij het aanbrengen en verwijderen van de thermische interface is het noodzakelijk om de aanbevelingen van de fabrikant en de fabrikant van het gekoelde (koel) apparaat strikt op te volgen. Het is belangrijk om extra voorzichtig te zijn bij het werken met elektrisch geleidende thermische interfaces, omdat het teveel in andere circuits terecht kan komen en kortsluiting kan veroorzaken.