Toplinski vodljive paste, ljepila, spojevi i izolacijska toplinska sučelja — svrha i primjena

Kako bi se poboljšala kvaliteta prijenosa topline s površine koju je potrebno učinkovito hladiti do uređaja dizajniranog za povrat te topline, koriste se takozvana toplinska sučelja.

Toplinsko sučelje je sloj, obično višekomponentnog toplinski vodljivog spoja, obično paste ili spoja.

Najpopularnija termalna sučelja danas su ona koja se koriste za mikroelektroničke komponente u računalima: za procesore, za čipove video kartica itd. Toplinska sučelja naširoko se koriste u drugoj elektronici, gdje se strujni krugovi također jako zagrijavaju i stoga im je potrebno učinkovito i kvalitetno hlađenje... Toplinska sučelja također su primjenjiva u svim vrstama sustava opskrbe toplinom.

Na ovaj ili onaj način, različiti toplinski vodljivi spojevi se koriste u proizvodnji energetske elektronike, radioelektronike, računalne i mjerne opreme, u uređajima s temperaturnim senzorima itd., odnosno tamo gdje se obično nalaze komponente koje se zagrijavaju radnom strujom ili nekim drugim putem.s velikim odvođenjem topline. Danas postoje toplinska sučelja sljedećih oblika: pasta, ljepilo, spoj, metal, brtva.

Pasta za prijenos topline

Termalna pasta ili jednostavno termalna pasta vrlo je čest oblik modernog termalnog sučelja. To je višekomponentna plastična smjesa dobre toplinske vodljivosti. Termalne paste koriste se za smanjenje toplinskog otpora između dviju dodirnih površina, na primjer između čipa i hladnjaka.

Zahvaljujući toplinski vodljivoj pasti, zrak niske toplinske vodljivosti između radijatora i hlađene površine zamijenjen je pastom znatno veće toplinske vodljivosti.

Najčešće paste ruske proizvodnje su KPT-8 i AlSil-3. Popularne su i paste Zalman, Cooler Master i Steel Frost.

Glavni zahtjevi za toplinski vodljivu pastu su da ima najmanju moguću toplinsku otpornost, da stabilno zadržava svoja svojstva tijekom vremena i kroz cijeli raspon radnih temperatura, da se lako nanosi i ispire, au nekim slučajevima i korisno je da postoje prikladni električna izolacijska svojstva.

Proizvodnja toplinski vodljivih pasta povezana je s korištenjem najboljih toplinski vodljivih komponenti i punila s dovoljno visokom toplinskom vodljivošću.

Mikrodisperzni i nanodisperzni prahovi i smjese na bazi volframa, bakra, srebra, dijamanta, cinkovog i aluminijevog oksida, aluminijeva i borovog nitrida, grafita, grafena i dr.

Vezivo u sastavu paste može biti mineralno ili sintetsko ulje, razne mješavine i tekućine niske hlapljivosti. Postoje termalne paste čije je vezivo polimerizirano na zraku.

Dešava se da se u svrhu povećanja gustoće paste dodaju lako isparljive komponente u njen sastav tako da kada se nanese pasta bude tekuća, a zatim se pretvara u toplinsko sučelje visoke gustoće i toplinske vodljivosti. Kompozicije za toplinsku vodljivost ovog tipa imaju karakteristično svojstvo postizanja maksimalne toplinske vodljivosti nakon 5 do 100 sati normalnog rada.

Postoje paste na bazi metala koje su tekuće na sobnoj temperaturi. Takve se paste sastoje od čistog galija i indija, kao i legura na njihovoj osnovi.

Najbolje i najskuplje paste su od srebra. Paste na bazi aluminijevog oksida smatraju se optimalnim. Srebro i aluminij daju najnižu toplinsku otpornost konačnog proizvoda. Paste na bazi keramike su jeftinije, ali i manje učinkovite.

Najjednostavniju termalnu pastu možete napraviti tako da olovni prah obične grafitne olovke utrljan na brusni papir pomiješate s nekoliko kapi mineralnog ulja za podmazivanje.

Kao što je gore navedeno, uobičajena upotreba termalne paste je kao toplinska sučelja u elektroničkim uređajima gdje je to potrebno i primjenjuje se između elementa koji stvara toplinu i strukture za raspršivanje topline, na primjer između procesora i hladnjaka.

Glavna stvar koju treba promatrati pri korištenju toplinski vodljive paste je minimalna debljina sloja. Da bi se to postiglo, potrebno je strogo slijediti preporuke proizvođača paste.

Malo paste se nanosi na područje toplinskog kontakta dva dijela, a zatim se jednostavno mrvi dok se dvije površine pritiskaju. Tako će pasta ispuniti i najmanje jamice na površinama i pridonijeti stvaranju homogene sredine za distribuciju i prijenos topline prema van.

Termo mast je dobra za hlađenje raznih sklopova i komponenti elektronike, čije je oslobađanje topline veće od dopuštenog za pojedinu komponentu, ovisno o vrsti i karakteristikama pojedinog kućišta. Mikrosklopovi i tranzistori sklopnih izvora napajanja, linearni skeneri uređaja za svjetiljke za slike, stupnjevi snage akustičkih pojačala itd. Uobičajena su mjesta za korištenje termalne paste.

Ljepilo za prijenos topline

Kada je uporaba paste koja provodi toplinu iz nekog razloga nemoguća, na primjer, zbog nemogućnosti čvrstog pritiskanja komponenti jedna na drugu s pričvrsnim elementima, pribjegavaju se uporabi ljepila koja provodi toplinu. Hladnjak se jednostavno lijepi na tranzistor, procesor, čip itd.

Veza se ispostavlja neraskidivom, stoga zahtijeva vrlo precizan pristup i usklađenost s tehnologijom za ispravno i kvalitetno lijepljenje. Ako je tehnologija prekršena, debljina toplinskog sučelja može biti vrlo velika i toplinska vodljivost spoja će se pogoršati.

Toplinski vodljive mješavine za posuđe

Kada je uz visoku toplinsku vodljivost potrebna hermetičnost, električna i mehanička čvrstoća, ohlađeni moduli jednostavno se pune polimerizabilnom smjesom, koja je namijenjena prijenosu topline od grijane komponente do kućišta uređaja.

Ako ohlađeni modul mora raspršiti puno topline, tada smjesa također mora imati dovoljnu otpornost na zagrijavanje, toplinske cikluse i biti u stanju izdržati toplinsko naprezanje koje proizlazi iz temperaturnog gradijenta unutar modula.

Metali s niskim talištem

Toplinska sučelja dobivaju sve veću popularnost temeljena na lemljenju dviju površina metalom niske taljivosti. Ako se tehnologija pravilno primijeni, moguće je dobiti rekordno nisku toplinsku vodljivost, no metoda je složena i nosi mnoga ograničenja.

Prije svega, potrebno je kvalitativno pripremiti spojne površine za ugradnju, ovisno o njihovom materijalu, to može biti težak zadatak.

U visokotehnološkim industrijama moguće je lemiti bilo koji metal, unatoč činjenici da neki od njih zahtijevaju posebnu pripremu površine. U svakodnevnom životu će se kvalitativno spojiti samo oni metali koji se dobro podnose kalajisanju: bakar, srebro, zlato itd.

Keramika, aluminij i polimeri uopće nisu podložni kositrenju, s njima je situacija složenija, ovdje neće biti moguće postići galvansku izolaciju dijelova.

Prije početka lemljenja, buduće površine koje se spajaju moraju biti očišćene od prljavštine. Važno je to učiniti učinkovito, očistiti ga od tragova korozije, jer pri niskim temperaturama tokovi općenito neće pomoći.

Čišćenje se obično vrši mehanički pomoću alkohola, etera ili acetona. Zbog toga se u paketu termalnog sučelja ponekad nalaze tvrda krpa i alkoholna maramica.Rad se mora obaviti s rukavicama, jer će mast koja se može dobiti iz ruku sigurno pogoršati kvalitetu lemljenja.

Samo lemljenje mora biti učinjeno uz zagrijavanje i u skladu s čvrstoćom koju je naveo proizvođač. Neka od industrijskih toplinskih sučelja zahtijevaju obavezno prethodno zagrijavanje spojenih dijelova na 60-90 °C, a to može biti opasno za neke osjetljive elektroničke komponente. Početno zagrijavanje obično se vrši sušilom za kosu, a zatim se lemljenje dovršava samozagrijavanjem radnog uređaja.

Toplinska sučelja ove vrste prodaju se u obliku sjajne folije s talištem malo iznad sobne temperature, kao iu obliku paste. Na primjer, Fieldsova legura u obliku folije ima talište od 50 °C. Galinstan u obliku paste tali se na sobnoj temperaturi. Za razliku od folije, paste su teže za korištenje jer moraju biti vrlo dobro utopljene u površine koje se leme, dok je za foliju potrebno samo odgovarajuće zagrijavanje tijekom montaže.

Izolacijske brtve

U energetskoj elektronici često je potrebna električna izolacija između elemenata za prijenos topline i hladnjaka. Stoga, kada toplinski vodljiva pasta nije prikladna, koriste se silikonske, liskunske ili keramičke podloge.

Fleksibilni meki jastučići izrađeni su od silikona, tvrdi jastučići su izrađeni od keramike. Postoje tiskane pločice na bazi bakrenog ili aluminijskog lima prekrivenog tankim slojem keramike, na koji su naneseni tragovi bakrene folije.

Obično su to jednostrane ploče, s jedne strane staze, a s druge je površina za pričvršćivanje na radijator.

Osim toga, u posebnim slučajevima proizvode se komponente za napajanje kod kojih je metalni dio kućišta, koji je pričvršćen na radijator, odmah prekriven slojem epoksida.

Značajke korištenja toplinskih sučelja

Prilikom postavljanja i skidanja toplinskog sučelja potrebno je strogo se pridržavati preporuka njegovog proizvođača, kao i proizvođača hlađenog (rashladnog) uređaja. Važno je biti posebno oprezan pri radu s električno vodljivim toplinskim sučeljima, jer njegov višak može ući u druge krugove i uzrokovati kratki spoj.