Не дайте чипсам поджариться: руководство для инженеров по теплопроводящим силиконовым прокладкам

На прошлой неделе мой высокопроизводительный игровой ноутбук начал тормозить во время рейдов. Вентиляторы ревели на максимальной скорости, но корпус был настолько горячим, что в нём можно было бы жарить яйца. Я снял кулер — и вот оно. Заводская термопрокладка превратилась в рассыпчатую, высохшую массу. Этот маленький серый лист был единственным, что отделяло мою видеокарту от перегрева и отключения.

Тогда я и понял: термопрокладки — это скучно, пока не выйдут из строя. Тогда они становятся самым важным компонентом вашей системы.

Если вы занимаетесь проектированием, изготовлением или ремонтом электроники, вам необходимо понимать теплопроводящие силиконовые прокладки. Не просто что это такое, но и как их выбрать, применить и найти, не тратя время и деньги. Давайте начнём.

Что такое термопроводящая силиконовая прокладка? (И почему это важно?)

Термопроводящая силиконовая прокладка — это мягкий, эластичный лист, который располагается между источником тепла (например, процессором, силовым транзистором или светодиодной матрицей) и радиатором или корпусом. Ее задача проста: Отводите тепло от горячей части и направляйте его в систему охлаждения<р>.<р>

Но вся магия кроется в зазорах. Нет двух идеально ровных поверхностей. Микроскопические воздушные зазоры действуют как теплоизоляционные одеяла, удерживая тепло. Силиконовая прокладка заполняет эти зазоры, заменяя воздух (плохой проводник тепла) специально разработанным материалом, который эффективно отводит тепло.

Представьте это как тепловой мост. Без него ваш чип будет просто кричать в подушку.

Как на самом деле работают эти подушечки?

Они не качают тепло и не подают воздух. Вместо этого они полагаются на проводящие наполнители находится в матрице из силиконового полимера. Силикон обеспечивает мягкость и эластичность; наполнители (обычно керамические или минеральные частицы) создают каналы для теплопроводности.

При сжатии между двумя поверхностями подушка:

1. Деформациизаполнить микроскопические впадины и вершины.

2. Трансферы Вибрационная энергия от горячих молекул к более холодным.

3. Распространения Перенос тепла от небольшой горячей точки к большей площади теплоотвода.

Вы найдете их в корпусах микросхем, дисплеях COF (chip-on-flex), модулях аккумуляторных батарей электромобилей, светодиодных светильниках, беспроводных зарядных устройствах и практически в любых герметичных корпусах для электроники.

Краткий обзор распространенных материалов (таблица + преимущества)

Не все термопрокладки одинаковы. Вот краткая шпаргалка по наиболее популярным группам материалов и когда следует использовать каждую из них.

Тип материала	Основные преимущества	Типичная теплопроводность (Вт/м·К)	Лучшее для
Стандартная силиконовая подушечка (наполненный оксидом алюминия/нитроборным нитридом)	Мягкий, эластичный, электроизолирующий, легко режется	1.0 – 6.0	Процессоры общего назначения (процессоры/видеокарты), блоки питания, светодиоды
Силикон, армированный стекловолокном	Устойчив к разрывам, обладает стабильными размерами, подходит для автоматизированной сборки	1.5 – 3.0	Среды с высокой вибрацией, автомобильная промышленность, портативные устройства
Графитовый лист	Чрезвычайно высокая проводимость в плоскости (до 1500+ Вт/м·К в поперечном направлении)	10 – 30 (в плоскости)	Тонкие ноутбуки, смартфоны, где боковое распространение тепла имеет решающее значение
Силиконовая поролоновая подушка	Высокая сжимаемость, гашение вибраций, заполнение неровных зазоров	1.0 – 2.5	Аккумуляторные батареи, крупные неровные отливки, корпуса для наружного применения
Материал с фазовым переходом (PCM) на силиконовой подложке	Расплавляется при рабочей температуре, обеспечивая практически нулевое сопротивление на границе раздела фаз, но затем снова затвердевает.</p>	3.0 – 8.0	Высокопроизводительные процессоры, видеокарты, модули IGBT (лучше, чем вставлять некоторые автоматизированные строки)
Керамически армированный полиимид	Ультратонкий, с высокой диэлектрической прочностью, без выделения газов из силикона	1.0 – 2.0	Аэрокосмическая отрасль, оптические датчики, чистые помещения

Для совета: Не гонитесь за самым высоким значением Вт/м·К. Жесткая, высокопроводящая подложка, которая не прилегает к поверхности, будет работать хуже, чем более мягкая, низкопроводящая подложка, которая идеально смачивает поверхность.

Проверка реальности в производстве (чего не говорится в технических характеристиках)

Инженеры часто выбирают подложку, основываясь исключительно на тепловых характеристиках. Затем звонит производственный отдел, в ярости. Почему? Потому что Изготовление термопрокладок в готовые детали сложнее, чем кажется.</p><р>.<р>

1. Форма материала: рулон или лист

Большая часть термосиликона выпускается в рулонах (непрерывной длины) или листах (например, 300x300 мм). Рулоны дешевле в расчете на единицу площади, но требуют нарезки и обработки. Листы проще в ручном нанесении, но расходуются нерационально.

Скрытые издержки:Небольшие рулоны означают частую замену рулонов на вырубном станке. Каждая замена занимает 10–20 минут машинного времени и приводит к образованию брака. Для партии в 500 листов это может удвоить стоимость за единицу продукции.

2. Толщина – проблема Златовласки

Если слишком тонкая, то контактная площадка не будет соприкасаться с обеими поверхностями. Если слишком толстая, то она чрезмерно сжимается, что может привести к деформации плат или растрескиванию паяных соединений. Кроме того, складывание двух тонких пластинИспользование одного толстого слоя вместо одного — плохая идея, поскольку каждый слой увеличивает тепловое сопротивление и повышает вероятность ошибок при сборке.

Общее правило: стремитесь к сжатию 15–30%. Если зазор меняется на 0,5 мм, выберите прокладку, которая сможет компенсировать этот диапазон без продавливания.

3. Мягкие и липкие материалы нуждаются в подложке

Очень мягкие прокладки (твердость по Шору 00 < 40) отлично подходят для зазоров с низким давлением, но они растягиваются, рвутся и прилипают ко всему. Для их чистой вырубки необходима структурная подложка (например, ПЭТ), которую необходимо снять после нанесения. Это увеличивает стоимость и количество этапов обработки.

4. Количество – ловушка персонализации

Большинство работ по установке термопрокладок выполняются следующим образом:</p> низкий объем (сотни деталей) и требуют высокой степени индивидуализации. Материалы дорогие. Оснастка (штампы, приспособления для надсечки), амортизированная на 500 деталей, может быть очень трудоемкой. Именно поэтому многие инженеры в итоге вырезают вручную ножом X-Acto — это подходит для прототипов, но не для 500 единиц.

Что делать:Для простых квадратных или прямоугольных подушечек без клея покупайте предварительно нарезанные листы онлайн. Для сложных форм (отверстия, выемки, язычки для отрыва, ступенчатая толщина) найдите конвертер (специалист по вырубке) на ранней стадии проектирования.

Итог

Теплопроводящие силиконовые прокладки не отличаются привлекательным внешним видом. Но когда ваш продукт работает без перегрева, остается надежным и не плавится в полевых условиях, эта скучная серая прокладка спасает вашу репутацию.

Не позволяйте чипсам жариться. Выбирайте с умом, создавайте прототипы на ранних этапах и работайте с людьми, которые понимают как термодинамику, так и...</p> иПроизводственный цех.

У вас сложный зазор или необычная форма? Обратитесь к надежному поставщику (я с удовольствием порекомендую вам несколько — просто оставьте комментарий ниже). А если хотите углубиться в тему, скачайте нашу бесплатную матрицу выбора термоинтерфейсных материалов — ссылка в профиле.

Сохраняйте спокойствие, инженеры.