Tepelne vodivé pasty, lepidlá, zlúčeniny a izolačné tepelné rozhrania – účel a použitie

Na zlepšenie kvality prenosu tepla z povrchu, ktorý je potrebné efektívne ochladzovať, do zariadenia určeného na spätné získavanie tohto tepla sa používajú takzvané tepelné rozhrania.

Tepelné rozhranie je vrstva, zvyčajne z viaczložkovej tepelne vodivej zlúčeniny, zvyčajne pasty alebo zmesi.

Najpopulárnejšie tepelné rozhrania sú dnes tie, ktoré sa používajú pre mikroelektronické komponenty v počítačoch: pre procesory, pre čipy grafických kariet atď. Tepelné rozhrania sú široko používané v inej elektronike, kde silové obvody tiež zažívajú vysoké zahrievanie, a preto potrebujú efektívne a kvalitné chladenie... Tepelné rozhrania sú tiež použiteľné vo všetkých typoch systémov zásobovania teplom.

Tak či onak sa rôzne tepelne vodivé zlúčeniny používajú pri výrobe výkonovej elektroniky, rádioelektroniky, výpočtovej a meracej techniky, v zariadeniach s teplotnými snímačmi a pod., teda tam, kde sú zvyčajne súčiastky ohrievané pracovným prúdom resp. nejakým iným spôsobom.s veľkým odvodom tepla. Dnes existujú tepelné rozhrania nasledujúcich foriem: pasta, lepidlo, zmes, kov, tesnenie.

Pasta na prenos tepla

Tepelná pasta alebo jednoducho tepelná pasta je veľmi bežnou formou moderného tepelného rozhrania. Ide o viaczložkovú plastovú zmes s dobrou tepelnou vodivosťou. Tepelné pasty sa používajú na zníženie tepelného odporu medzi dvoma kontaktnými plochami, napríklad medzi čipom a chladičom.

Vďaka tepelne vodivej paste je vzduch s jej nízkou tepelnou vodivosťou medzi radiátorom a ochladzovaným povrchom nahradený pastou s výrazne vyššou tepelnou vodivosťou.

Najbežnejšie pasty ruskej výroby sú KPT-8 a AlSil-3. Obľúbené sú aj pasty Zalman, Cooler Master a Steel Frost.

Hlavnými požiadavkami na tepelne vodivú pastu sú, aby mala čo najnižší tepelný odpor, aby si stabilne zachovala svoje vlastnosti v čase a v celom rozsahu pracovných teplôt, aby sa dala ľahko nanášať a zmývať a v niektorých prípadoch je užitočné, že existujú vhodné elektrické izolačné vlastnosti.

Výroba tepelne vodivých pást súvisí s použitím najlepších tepelne vodivých komponentov a plnív s dostatočne vysokou tepelnou vodivosťou.

Mikrodispergované a nanodispergované prášky a zmesi na báze volfrámu, medi, striebra, diamantu, zinku a oxidu hlinitého, nitridu hliníka a bóru, grafitu, grafénu atď.

Spojivom v zložení pasty môže byť minerálny alebo syntetický olej, rôzne zmesi a kvapaliny s nízkou prchavosťou. Existujú tepelné pasty, ktorých spojivo sa polymerizuje na vzduchu.

Stáva sa, že na zvýšenie hustoty pasty sa do jej zloženia pridávajú ľahko odpariteľné zložky, takže pasta je pri aplikácii tekutá a potom sa mení na tepelné rozhranie s vysokou hustotou a tepelnou vodivosťou. Tepelne vodivé kompozície tohto typu majú charakteristickú vlastnosť dosiahnuť maximálnu tepelnú vodivosť po 5 až 100 hodinách bežnej prevádzky.

Existujú pasty na báze kovu, ktoré sú pri izbovej teplote tekuté. Takéto pasty pozostávajú z čistého gália a india, ako aj zliatin na ich báze.

Najlepšie a najdrahšie pasty sú vyrobené zo striebra. Za optimálne sa považujú pasty na báze oxidu hlinitého. Striebro a hliník poskytujú najnižší tepelný odpor konečného produktu. Pasty na keramickej báze sú lacnejšie, ale aj menej účinné.

Najjednoduchšia tepelná pasta sa dá vyrobiť zmiešaním oloveného prášku obyčajnej grafitovej ceruzky natretého na brúsny papier s niekoľkými kvapkami minerálneho mazacieho oleja.

Ako bolo uvedené vyššie, tepelná pasta sa bežne používa ako tepelné rozhrania v elektronických zariadeniach, kde je to potrebné, a používa sa medzi prvkom generujúcim teplo a štruktúrou rozptyľujúcou teplo, napríklad medzi procesorom a chladičom.

Hlavná vec, ktorú treba dodržiavať pri použití tepelne vodivej pasty, je udržať hrúbku vrstvy na minime. Aby ste to dosiahli, je potrebné prísne dodržiavať odporúčania výrobcu pasty.

Na oblasť tepelného kontaktu oboch častí sa nanesie malé množstvo pasty a potom sa jednoducho rozdrví pri stlačení oboch povrchov k sebe. Pasta tak vyplní najmenšie jamky na povrchoch a prispeje k vytvoreniu homogénneho prostredia pre distribúciu a prenos tepla smerom von.

Tepelné mazivo je dobré na chladenie rôznych zostáv a komponentov elektroniky, ktorých uvoľňovanie tepla je vyššie, ako je prípustné pre určitý komponent, v závislosti od typu a vlastností konkrétneho prípadu. Mikroobvody a tranzistory spínaných zdrojov, lineárne skenery zariadení obrazových lámp, výkonové stupne akustických zosilňovačov atď. Sú to bežné miesta na použitie tepelnej pasty.

Lepidlo na prenos tepla

Keď z nejakého dôvodu nie je možné použiť teplovodivú pastu, napríklad kvôli neschopnosti tesne pritlačiť komponenty k sebe pomocou spojovacích prvkov, uchýlia sa k použitiu teplovodivého lepidla. Chladič sa jednoducho nalepí na tranzistor, procesor, čip atď.

Spojenie sa ukazuje ako neoddeliteľné, preto si vyžaduje vysoko precízny prístup a dodržanie technológie pre správne a kvalitné lepenie. Ak dôjde k porušeniu technológie, hrúbka tepelného rozhrania sa môže ukázať ako veľmi veľká a tepelná vodivosť spoja sa zhorší.

Tepelne vodivé zalievacie zmesi

Keď je okrem vysokej tepelnej vodivosti vyžadovaná hermetika, elektrická a mechanická pevnosť, chladené moduly sa jednoducho naplnia polymerizovateľnou zmesou, ktorá je určená na prenos tepla z ohrievaného komponentu do krytu zariadenia.

Ak musí chladený modul odvádzať veľa tepla, potom musí mať zmes aj dostatočnú odolnosť voči zahrievaniu, tepelným cyklom a musí byť schopná odolávať tepelnému namáhaniu vyplývajúcemu z teplotného gradientu vo vnútri modulu.

Kovy s nízkou teplotou topenia

Tepelné rozhrania si získavajú čoraz väčšiu obľubu na základe spájkovania dvoch povrchov nízkotaviteľným kovom. Ak je technológia aplikovaná správne, je možné dosiahnuť rekordne nízku tepelnú vodivosť, ale metóda je zložitá a nesie so sebou mnohé obmedzenia.

Najprv je potrebné kvalitatívne pripraviť spojovacie plochy na inštaláciu, v závislosti od ich materiálu to môže byť náročná úloha.

V high-tech odvetviach je možné spájkovať akékoľvek kovy, napriek tomu, že niektoré z nich vyžadujú špeciálnu prípravu povrchu. V každodennom živote budú kvalitatívne spojené iba kovy, ktoré sú vhodné na cínovanie: meď, striebro, zlato atď.

Keramika, hliník a polyméry sa vôbec nehodia na cínovanie, s nimi je situácia komplikovanejšia, tu nebude možné dosiahnuť galvanickú izoláciu dielov.

Pred začatím spájkovania musia byť budúce povrchy, ktoré sa majú spojiť, očistené od všetkých nečistôt. Je dôležité to urobiť efektívne, očistiť ho od stôp korózie, pretože pri nízkych teplotách tavidlá vo všeobecnosti nepomôžu.

Čistenie sa zvyčajne vykonáva mechanicky pomocou alkoholu, éteru alebo acetónu. Na tento účel sa niekedy v balení tepelného rozhrania nachádza tvrdá handrička a alkoholová utierka.Práca sa musí vykonávať v rukaviciach, pretože tuk, ktorý možno získať z rúk, určite zhorší kvalitu spájkovania.

Samotné spájkovanie musí byť vykonané s ohrevom a dodržaním pevnosti špecifikovanej výrobcom. Niektoré priemyselné tepelné rozhrania vyžadujú povinné predhrievanie pripojených častí na 60-90 °C, čo môže byť nebezpečné pre niektoré citlivé elektronické komponenty. Počiatočné zahrievanie sa zvyčajne vykonáva sušičom vlasov a potom je spájkovanie dokončené vlastným zahrievaním pracovného zariadenia.

Tepelné rozhrania tohto typu sa predávajú vo forme slávovej fólie s bodom topenia mierne nad izbovou teplotou, ako aj vo forme pást. Napríklad Fieldsova zliatina vo forme fólie má bod topenia 50 °C. Galinstan vo forme pasty sa taví pri izbovej teplote. Na rozdiel od fólie sú pasty náročnejšie na použitie, pretože musia byť veľmi dobre zapustené do spájkovaných povrchov, zatiaľ čo fólia vyžaduje iba správny ohrev pri montáži.

Izolačné tesnenia

Vo výkonovej elektronike sa často vyžaduje elektrická izolácia medzi prvkami prenosu tepla a chladiča. Preto, keď nie je vhodná tepelne vodivá pasta, používajú sa silikónové, sľudové alebo keramické substráty.

Pružné mäkké podložky sú vyrobené zo silikónu, tvrdé podložky sú vyrobené z keramiky. Existujú dosky plošných spojov na báze medeného alebo hliníkového plechu pokrytého tenkou vrstvou keramiky, na ktorej sú nanesené stopy medenej fólie.

Zvyčajne ide o jednostranné dosky, na jednej strane koľajnice a na druhej strane je plocha na pripevnenie k radiátoru.

Okrem toho sa v špeciálnych prípadoch vyrábajú výkonové komponenty, v ktorých je kovová časť krytu, ktorá je pripevnená k radiátoru, okamžite pokrytá vrstvou epoxidu.

Vlastnosti použitia tepelných rozhraní

Pri aplikácii a odstraňovaní tepelného rozhrania je potrebné dôsledne dodržiavať odporúčania jeho výrobcu, ako aj výrobcu chladeného (chladiaceho) zariadenia. Pri práci s elektricky vodivými tepelnými rozhraniami je dôležité byť obzvlášť opatrný, pretože jeho prebytok sa môže dostať do iných obvodov a spôsobiť skrat.