Термоинтерфейс

Термоинтерфейс — слой теплопроводящего состава (обычно многокомпонентного) между охлаждаемой поверхностью и отводящим тепло устройством. Наиболее распространенным типом термоинтерфейса являются теплопроводящие пасты и компаунды.

В быту наиболее известны термоинтерфейсы для тепловыделяющих компонентов персональных компьютеров (процессоры, видеокарты, быстрая память и т. п.). Также применяется в электронике для теплоотвода от компонентов силовых цепей и уменьшения градиента температур внутри блоков.

Термоинтерфейсы применяются в системах теплоснабжения и подогрева.

Типы термоинтерфейсов

Теплопроводные составы находят применение при производстве электронных компонентов, в теплотехнике и измерительной технике, а также при производстве радиоэлектронных устройств с высоким тепловыделением. Термоинтерфейсы имеют следующие формы:

• теплопроводящие пастообразные составы;
• полимеризующиеся теплопроводные составы;
• теплопроводящие клеющие составы;
• теплопроводящие прокладки;
• припои и жидкие металлы.

Теплопроводные пасты

Шприц с термопастой

Теплопроводная паста (разг. термопаста) — многокомпонентное пластичное вещество с высокой теплопроводностью, используемое для уменьшения теплового сопротивления между двумя соприкасающимися поверхностями. Теплопроводящая паста служит для замены воздуха, находящегося между поверхностями, на теплопроводящую пасту с более высокой теплопроводностью. Типичными и самыми распространенными термопроводными пастами отечественного производства являются КПТ-8 и АлСил-3.

Требования

Основные требования к термопроводным пастам:

• наименьшее тепловое сопротивление;
• стабильность свойств с течением времени работы и хранения;
• стабильность свойств в рабочем диапазоне температур;
• удобство нанесения и легкость смывания;
• в некоторых случаях к теплопроводным составам предъявляются требования высоких электроизоляционных свойств.

Составы

При изготовлении термопроводных паст в качестве теплопроводящих компонентов используются наполнители с высокой теплопроводностью в виде микро- и нанодисперсных порошков и их смеси:

• металлов (вольфрам, медь, серебро);
• микрокристаллов (алмаз);
• оксиды металлов (цинка, алюминия и др.);
• нитридов (бора, алюминия);
• графита;
• графена.

В качестве связующих веществ используются минеральные или синтетические масла, жидкости и их смеси, имеющие низкую испаряемость. Существуют теплопроводные пасты с полимеризующимся на воздухе связующим. Иногда, с целью повышения плотности, в их состав добавляются легкоиспаряемые компоненты, которые позволяют иметь достаточно жидкую теплопроводную пасту в процессе нанесения и высоко плотный термоинтефейс с высокой теплопроводностью. Такие теплопроводные составы обычно выходят на максимальную теплопроводность в течение 5-100 часов работы в штатном режиме (конкретные значения в инструкции по применению). Существуют термопроводные пасты на основе жидких при 20-25°С металлов, состоящие из чистых индия и галлия и сплавов на их основе.

Использование

Термопаста используется в электронных устройствах в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющими элементами и устройствами отвода тепла от них (например, между процессором и радиатором). Главное требование при применении теплопроводящей пасты — минимальная толщина ее слоя. Для этого при нанесении теплопроводящих паст необходимо руководствоваться рекомендациями изготовителя. Небольшое количество пасты, нанесенное на область теплового контакта, раздавливается при прижиме поверхностей друг к другу. При этом паста заполняет мельчайшие углубления в поверхностях и вытесняет воздух, обладающий крайне низкой теплопроводностью.

Другие случаи применения.

Термопаста используется при охлаждении узлов электроники, имеющих тепловыделение больше допустимого для данного типа корпуса: силовых транзисторов и микросхем питания (ключах) в импульсных блоках питания, в блоках строчной развёртки телевизоров с кинескопом, транзисторов выходных каскадов мощных усилителей.

Теплопроводные клеи

Применяется в случае, если невозможно использование теплопроводной пасты (из-за отсутствия крепежа), для монтажа теплоотводящей арматуры к процессору, транзистору и т. п. Это неразборное соединение и требует соблюдения технологии склейки. В случае ее нарушения возможно увеличение толщины термоинтерфейса и ухудшение теплопроводности соединения.

Теплопроводные заливочные компаунды

Для улучшения герметичности, механической и электрической прочности электронные модули зачастую заливают полимерными компаундами. Если модули рассеивают значительную тепловую мощность то заливочные компаунды должны обеспечивать стойкость к нагреву и термоциклированию, выдерживать термические напряжения из-за градиентов температуры внутри модуля, облегчать теплоотвод от компонентов к корпусу модуля.

Пайка

Набирающий популярность термоинтерфейс основан на спайке поверхностей легкоплавким металлом. При правильном применении такой метод дает рекордные параметры удельной теплопроводности, однако имеет множество ограничений и подводных камней. В первую очередь проблемой является материал поверхностей и качество подготовки к монтажу. В производственных условиях возможна пайка любых материалов (некоторые требуют специальной подготовки поверхностей). В бытовых условиях или в мастерских пайкой соединяются медные, серебряные, золотые поверхности и другие хорошо поддающиеся лужению материалы. Алюминиевые, керамические и полимерные поверхности совершенно непригодны (а значит, невозможна гальваническая изоляция деталей).

Перед соединением пайкой, соединяемые поверхности очищают от загрязнений. Чрезвычайно важна качественная очистка поверхностей от всех типов загрязнений и следов коррозии, поскольку при низких температурах флюсы неэффективны и не используются. Очистка выполняется механической зачисткой и удалением загрязнений растворителями (например спиртом, ацетоном, эфиром), для чего в коробку с термоинтерфейсом часто вкладывают жесткую мочалку и гигиеническую проспиртованную салфетку. По этой же причине нельзя работать с термоинтерфейсом без перчаток: жир значительно ухудшает качество пайки.

Собственно пайка выполняется нагревом соединения при заданном производителем термоинтерфейса усилии. При этом некоторые типы промышленных термоинтерфейсов требуют первоначального разогрева обеих спаиваемых деталей до 60-90 градусов Цельсия, что может быть опасно для чувствительных к перегреву электронных компонентов. Обычно рекомендуют делать предварительный разогрев (например феном) с последующей окончательной спайкой саморазогревом работающего устройства.

На сегодня термоинтерфейс такого типа предлагается в виде фольги из сплава с температурой плавления чуть выше комнатной (50…90 градусов Цельсия, например сплава Филдса (англ.)русск.) и в виде пасты сплава с комнатной температурой плавления (например, Галинстан или «Coollaboratory Liquid Pro»). Пасты сложнее в применении (их необходимо тщательно вмазывать в спаиваемые поверхности). Фольга требует специального прогрева при монтаже.

Изолирующие термоинтерфейсы

Электрическая изоляция между элементами теплопередачи обычно используется в силовой электронике. Выполняется с помощью керамических, слюдяных, силиконовых или пластиковых прокладок, подложек, покрытий:

• гибкие прокладки из силиконовых компаундов и твердые прокладки из керамики;
• печатные платы с основой из алюминиевого или медного листа, покрытого тонким керамическим слоем поверх которого нанесена медная фольга дорожек. Такие платы как правило «односторонние» (фольга с одной стороны), а второй стороной они крепятся к теплоотводу (радиатору).
• полностью изолированные силовые компоненты (металлический теплоотвод стандартных корпусов силовых электронных компонентов покрыт слоем эпоксидного состава).

Применение

Нанесение и снятие термоинтерфейса выполняется строго по инструкции производителя устройства охлаждения и термоинтерфейса.

Некоторые типы термоинтерфейсов являются электропроводящими, поэтому с ними нужно проявлять особую осторожность (не допускать излишков электропроводящего материала) при нанесении на поверхность с целью недопущения нежелательных и опасных электросоединений!

• Силовая электроника
• Вычислительная техника
• Датчики температуры

Ссылки

• Грязевые войны, часть три: 7 термопаст для процессора от Arctic Cooling, CoolerMaster, Gelid, GlacialStars, Spire (рус.)
• Сравнительное тестирование десяти термопаст (рус.)
• Тестирование термоинтерфейсов, часть I: 26 моделей термопаст (рус.)
• Что новенького? Тестирование 22 актуальных термоинтерфейсов
• Характеристики теплопроводящих составов и материалов Справочная таблица.
• Тестирование с термопастой и без Наглядный тест термопасты.