Toplotno prevodne paste, lepila, spojine in izolacijski toplotni vmesniki – namen in uporaba

Za izboljšanje kakovosti prenosa toplote s površine, ki jo je treba učinkovito ohladiti, do naprave, ki je zasnovana za rekuperacijo te toplote, se uporabljajo tako imenovani toplotni vmesniki.

Toplotni vmesnik je plast, običajno iz večkomponentne toplotno prevodne spojine, običajno paste ali spojine.

Danes so najbolj priljubljeni termični vmesniki, ki se uporabljajo za mikroelektronske komponente v računalnikih: za procesorje, za čipe video kartic itd. Toplotni vmesniki se pogosto uporabljajo v drugi elektroniki, kjer se napajalni tokokrogi prav tako močno segrejejo in zato potrebujejo učinkovito in kakovostno hlajenje... Toplotni vmesniki so uporabni tudi v vseh vrstah toplotnih sistemov.

Tako ali drugače se različne toplotno prevodne spojine uporabljajo v proizvodnji močnostne elektronike, radijske elektronike, računalniške in merilne opreme, v napravah s temperaturnimi senzorji ipd., torej tam, kjer so običajno komponente, ki jih ogreva delovni tok oz. na drug način.z velikim odvajanjem toplote. Danes obstajajo termični vmesniki naslednjih oblik: pasta, lepilo, spojina, kovina, tesnilo.

Pasta za prenos toplote

Termalna pasta ali preprosto termalna pasta je zelo pogosta oblika sodobnega termičnega vmesnika. Je večkomponentna plastična zmes z dobro toplotno prevodnostjo. Termične paste se uporabljajo za zmanjšanje toplotnega upora med dvema kontaktnima površinama, na primer med čipom in hladilnikom.

Zahvaljujoč toplotno prevodni pasti se zrak z nizko toplotno prevodnostjo med radiatorjem in hlajeno površino nadomesti s pasto z bistveno višjo toplotno prevodnostjo.

Najpogostejše ruske paste so KPT-8 in AlSil-3. Priljubljene so tudi paste Zalman, Cooler Master in Steel Frost.

Glavne zahteve za toplotno prevodno pasto so, da ima čim nižjo toplotno odpornost, da stabilno ohranja svoje lastnosti skozi čas in v celotnem razponu delovnih temperatur, da se enostavno nanaša in izpira ter v nekaterih primerih je koristno, da obstajajo primerni električne izolacijske lastnosti.

Proizvodnja toplotno prevodnih past je povezana z uporabo najboljših toplotno prevodnih komponent in polnil z dovolj visoko toplotno prevodnostjo.

Mikrodisperzni in nanodisperzni prahovi in ​​mešanice na osnovi volframovega, bakrovega, srebrovega, diamantnega, cinkovega in aluminijevega oksida, aluminijevega in borovega nitrida, grafita, grafena itd.

Vezivo v sestavi paste je lahko mineralno ali sintetično olje, različne mešanice in tekočine z nizko hlapnostjo. Obstajajo termalne paste, katerih vezivo je polimerizirano na zraku.

Dogaja se, da se za povečanje gostote paste v njeno sestavo dodajo zlahka uparjene komponente, tako da je pasta ob nanosu tekoča in se nato spremeni v toplotni vmesnik z visoko gostoto in toplotno prevodnostjo. Sestavine za toplotno prevodnost te vrste imajo značilno lastnost, da dosežejo največjo toplotno prevodnost po 5 do 100 urah normalnega delovanja.

Obstajajo paste na kovinski osnovi, ki so pri sobni temperaturi tekoče. Takšne paste so sestavljene iz čistega galija in indija ter zlitin na njihovi osnovi.

Najboljše in najdražje paste so iz srebra. Paste na osnovi aluminijevega oksida veljajo za optimalne. Srebro in aluminij dajeta najnižjo toplotno odpornost končnega izdelka. Paste na keramični osnovi so cenejše, a tudi manj učinkovite.

Najenostavnejšo termalno pasto lahko naredimo tako, da svinčeni prah navadnega grafitnega svinčnika, ki ga podrgnemo na brusni papir, zmešamo z nekaj kapljicami mineralnega mazalnega olja.

Kot je navedeno zgoraj, je običajna uporaba termalne paste kot toplotni vmesnik v elektronskih napravah, kjer je to potrebno, in se uporablja med elementom, ki proizvaja toploto, in strukturo za odvajanje toplote, na primer med procesorjem in hladilnikom.

Glavna stvar, ki jo je treba upoštevati pri uporabi toplotno prevodne paste, je, da je debelina plasti čim manjša. Da bi to dosegli, je potrebno strogo upoštevati priporočila proizvajalca paste.

Malo paste se nanese na območje termičnega stika obeh delov in se nato preprosto zdrobi, medtem ko obe površini pritisnete skupaj. Tako bo pasta zapolnila najmanjše jamice na površinah in prispevala k oblikovanju homogenega okolja za distribucijo in prenos toplote navzven.

Termo mast je dobra za hlajenje različnih sklopov in komponent elektronike, katerih oddajanje toplote je večje od dovoljenega za določeno komponento, odvisno od vrste in značilnosti posameznega ohišja. Mikrovezja in tranzistorji stikalnih napajalnikov, linearni skenerji slikovnih svetilk, močnostne stopnje akustičnih ojačevalnikov itd. So običajna mesta za uporabo termalne paste.

Lepilo za prenos toplote

Kadar je uporaba toplotno prevodne paste iz nekega razloga nemogoča, na primer zaradi nezmožnosti tesnega stiskanja komponent med seboj s pritrdilnimi elementi, se zatečejo k uporabi toplotno prevodnega lepila. Hladilnik preprosto prilepimo na tranzistor, procesor, čip itd.

Povezava se izkaže za neločljivo, zato zahteva zelo natančen pristop in skladnost s tehnologijo za pravilno in kakovostno lepljenje. Če je tehnologija kršena, se lahko debelina toplotnega vmesnika izkaže za zelo veliko in toplotna prevodnost spoja se poslabša.

Toplotno prevodne mešanice za lončenje

Kadar je poleg visoke toplotne prevodnosti zahtevana tudi hermetičnost, električna in mehanska trdnost, se hlajeni moduli preprosto napolnijo s polimerizabilno mešanico, ki je namenjena prenosu toplote od segrete komponente do ohišja naprave.

Če mora ohlajeni modul odvajati veliko toplote, mora imeti spojina tudi zadostno odpornost na segrevanje, toplotno kroženje in biti sposobna prenesti toplotno obremenitev, ki je posledica temperaturnega gradienta znotraj modula.

Kovine z nizkim tališčem

Toplotni vmesniki pridobivajo vse večjo priljubljenost, ki temelji na spajkanju dveh površin s kovino z nizkim tališčem. Ob pravilni uporabi tehnologije je mogoče doseči rekordno nizko toplotno prevodnost, vendar je metoda zapletena in ima številne omejitve.

Najprej je treba kakovostno pripraviti spojne površine za namestitev, odvisno od njihovega materiala je to lahko težka naloga.

V visokotehnoloških panogah je mogoče spajkati katere koli kovine, kljub dejstvu, da nekatere od njih zahtevajo posebno pripravo površine. V vsakdanjem življenju bodo kakovostno vezane le kovine, ki so primerne za kositranje: baker, srebro, zlato itd.

Keramika, aluminij in polimeri sploh niso primerni za kositranje, z njimi je situacija bolj zapletena, tukaj ne bo mogoče doseči galvanske izolacije delov.

Pred začetkom spajkanja je treba bodoče spojene površine očistiti umazanije. Pomembno je, da to storite učinkovito, da ga očistite pred sledovi korozije, saj pri nizkih temperaturah tokovi na splošno ne bodo pomagali.

Čiščenje običajno poteka mehansko z uporabo alkohola, etra ali acetona. Za to sta v paketu termičnega vmesnika včasih prisotna trda krpa in alkoholni robček.Delo je treba opraviti z rokavicami, saj bo maščoba, ki jo lahko dobite iz rok, zagotovo poslabšala kakovost spajkanja.

Samo spajkanje je treba opraviti s segrevanjem in skladnostjo z močjo, ki jo je določil proizvajalec. Nekateri industrijski toplotni vmesniki zahtevajo obvezno predgretje povezanih delov na 60–90 °C, kar je lahko nevarno za nekatere občutljive elektronske komponente. Začetno segrevanje se običajno izvede s sušilcem za lase, nato pa se spajkanje zaključi s samosegrevanjem delovne naprave.

Tovrstni toplotni vmesniki se prodajajo v obliki glory folije s tališčem nekoliko nad sobno temperaturo, pa tudi v obliki paste. Na primer, Fieldsova zlitina v obliki folije ima tališče 50 ° C. Galinstan v obliki paste se topi pri sobni temperaturi. Za razliko od folije so paste težje za uporabo, saj se morajo zelo dobro vgraditi v površine, ki jih spajkamo, medtem ko je pri foliji potrebno le ustrezno segrevanje med montažo.

Izolacijska tesnila

V močnostni elektroniki je pogosto potrebna električna izolacija med elementi za prenos toplote in odvodom toplote. Zato, kadar toplotno prevodna pasta ni primerna, uporabimo silikonske, sljudne ali keramične podlage.

Prožne mehke blazinice so izdelane iz silikona, trde blazinice pa iz keramike. Obstajajo tiskana vezja na osnovi bakrene ali aluminijaste pločevine, prekrite s tanko plastjo keramike, na katero so naneseni sledovi bakrene folije.

Običajno so to enostranske deske, na eni strani tirnice, na drugi pa je površina za pritrditev na radiator.

Poleg tega se v posebnih primerih proizvajajo napajalne komponente, pri katerih je kovinski del ohišja, ki je pritrjen na radiator, takoj prekrit s plastjo epoksida.

Značilnosti uporabe toplotnih vmesnikov

Pri nameščanju in odstranjevanju termičnega vmesnika je potrebno dosledno upoštevati priporočila njegovega proizvajalca, kot tudi proizvajalca hlajene (hladilne) naprave. Pri delu z električno prevodnimi toplotnimi vmesniki je pomembno biti še posebej previden, saj lahko njen presežek pride v druge tokokroge in povzroči kratek stik.