Объяснение TIM: смазки, прокладки для заполнения зазоров и материалы с фазовым переходом

Почему две поверхности, которые выглядят совершенно ровными, всё равно могут создавать серьёзное тепловое узкое место? В охлаждении электроники ответ зачастую кроется в микроскопических зазорах между ними — и в материале, используемом для заполнения этих зазоров.

Что такое термопроводящий материал?

Теплопроводящий интерфейсный материал (ТИМ) используется при упаковке интегральных схем и в системах теплового управления электроникой для заполнения микроскопических пустот и неровностей поверхности в местах контакта двух материалов. Заполняя эти зазоры, ТИМ снижает термическое контактное сопротивление и способствует более эффективному отводу тепла от устройства.

Почему важны TIM: проблема 10 % контактов

Микроэлектронные материалы и поверхности радиаторов никогда не являются идеально плоскими на микроскопическом уровне. При непосредственном монтаже фактическая площадь контакта может составлять лишь около 10 % площади основания радиатора. Остальное пространство занимает воздушные зазоры.

Это серьёзная проблема, поскольку теплопроводность воздуха составляет всего около 0,024 Вт/(м·К). Эти воздушные зазоры создают высокое контактное термическое сопротивление и препятствуют выполнению радиатором своей функции.

Теплопроводящий термоинтерфейсный материал с высокой проводимостью заполняет зазоры, вытесняет воздух и создаёт эффективный тепловой путь между источником тепла и теплоотводом. Другими словами, теплоотвод может быть превосходным — однако именно интерфейс всё ещё определяет, будет ли он работать.</p>

Что делает идеальный TIM?

Идеальный TIM должен предлагать:

• Высокая теплопроводность
• Высокая гибкость/гибкость, позволяющая заполнять зазоры при низком монтажном давлении и поддерживать низкое сопротивление контакта
• Электрическая изоляция
• Простая установка и удаление
• Широкая применимость, охватывающий как небольшие, так и крупные разрывы

Этот контрольный список представляет собой полезную систему оценки при сравнении реальных материалов.

Три распространённых типа TIM и случаи их использования

• 1. Теплопроводная паста

Термопаста обычно изготавливается на основе силиконового масла с добавлением термостойких и теплопроводящих наполнителей.

Преимущества: низкая стоимость и чрезвычайная распространенность.

Недостатки: сложность нанесения, выделение силиконового масла и постепенное высыхание со временем. Обычно не рекомендуется для изделий с длительным сроком службы.

• 2. Тепловые силиконовые прокладки

Термопроводящие силиконовые прокладки используют силикон в качестве основы, а также добавки, такие как металлические оксиды, и изготавливаются по специальной технологии. Их также называют прокладками для заполнения зазоров, силиконовыми плёнками или мягкими термопроводящими прокладками.

Они заполняют зазоры и передают тепло между компонентами, генерирующими тепло, и компонентами, рассеивающими тепло, а также обеспечивают изоляцию, демпфирование вибраций и герметизацию.

Они поддерживают миниатюрные и сверхтонкие конструкции и доступны в широком диапазоне толщин.

Преимущества: хороший температурный диапазон и стабильность, устранение технологических разрывов, электрическая изоляция, поглощение вибрации и шума, а также простота установки, испытаний и повторного использования.

• 3. Материалы с фазовым переходом

Материалы с изменением фазы (PCM) изменяют фазу при изменении температуры и обеспечивают скрытую теплоту. Фазовый переход «твердое тело – твердое тело» может поглощать определённое количество тепла и сглаживать резкие всплески теплового потока — как будто добавляется «резервуар» в тепловом пути.

Коммерческие температуры фазового перехода составляют примерно 45–50 °C. Они используются в основном для ЦП и других источников тепла с кратковременным высоким тепловым потоком, особенно для защиты во время запуска или перезапуска. Обратите внимание на их теплоёмкость и тепловое сопротивление; толщина некоторых изделий может составлять всего 0,125 мм.

Ограничения: их сложно хранить и устанавливать, выделение силиконового масла может снижать световую эффективность осветительного оборудования, а надёжность лишь умеренная. При длительной эксплуатации при высоких температурах производительность может снизиться примерно на 40–70 % в течение примерно двух лет. Они лучше подходят для потребительской электроники, ноутбуков и игровых консолей.

Итог

Теплопроводящие материалы непосредственно влияют на качество теплового интерфейса. Теплопроводная паста дешева и широко распространена, однако обладает низкой надежностью в условиях длительной эксплуатации; термопрокладки обеспечивают изоляцию, демпфирование и возможность повторной сборки; фазовые материалы помогают смягчить кратковременные тепловые удары, но имеют ограничения по хранению, выделению веществ и долговременной надежности. Выбирайте теплопроводящий материал с учетом размера зазора, давления при креплении, требований к изоляции, необходимости повторной сборки и срока службы в рабочих условиях — а не только теплопроводности.