Lämpöä johtavat tahnat, liimat, yhdisteet ja eristävät lämpörajapinnat – tarkoitus ja käyttö

Lämmönsiirron laadun parantamiseksi tehokkaasti jäähdytettävältä pinnalta tämän lämmön talteenottamiseen suunniteltuun laitteeseen käytetään ns. lämpörajapintoja.

Lämpörajapinta on kerros, joka on yleensä monikomponenttista lämpöä johtavaa yhdistettä, yleensä tahnaa tai seosta.

Suosituimmat lämpörajapinnat ovat nykyään ne, joita käytetään tietokoneiden mikroelektroniikkakomponentteihin: prosessoreihin, näytönohjaimen siruihin jne. Lämpöliitännät ovat laajalti käytössä muussa elektroniikassa, jossa myös tehopiireissä on korkea kuumennus ja siksi ne tarvitsevat tehokkaan ja laadukkaan jäähdytyksen... Lämpöliitännät soveltuvat myös kaikentyyppisissä lämmönjakojärjestelmissä.

Erilaisia ​​lämpöä johtavia yhdisteitä käytetään tavalla tai toisella tehoelektroniikan, radioelektroniikan, laskenta- ja mittauslaitteiden valmistuksessa, lämpötila-antureilla varustetuissa laitteissa jne., eli missä on yleensä käyttövirralla lämmitettyjä komponentteja tai jollain muulla tavalla. suurella lämmön haihdolla. Nykyään on olemassa seuraavia lämpörajapintoja: tahna, liima, seos, metalli, tiiviste.

Lämmönsiirtotahna

Lämpöpasta tai yksinkertaisesti lämpötahna on hyvin yleinen nykyaikaisen lämpörajapinnan muoto. Se on monikomponenttinen muoviseos, jolla on hyvä lämmönjohtavuus. Lämpöpastaa käytetään vähentämään kahden kosketuspinnan, esimerkiksi sirun ja jäähdytyselementin välistä lämpövastusta.

Lämpöä johtavan tahnan ansiosta jäähdyttimen ja jäähdytetyn pinnan välissä oleva alhainen lämmönjohtavuus korvataan tahnalla, jonka lämmönjohtavuus on huomattavasti korkeampi.

Yleisimmät venäläiset tahnat ovat KPT-8 ja AlSil-3. Zalman-, Cooler Master- ja Steel Frost -pastat ovat myös suosittuja.

Tärkeimmät vaatimukset lämpöä johtavalle tahnalle ovat, että sillä on mahdollisimman alhainen lämmönkestävyys, että se säilyttää ominaisuutensa vakaasti ajan kuluessa ja koko käyttölämpötila-alueen ajan, että se on helppo levittää ja pestä pois, ja joissakin tapauksissa se on hyödyllistä, että on sopivia sähköä eristävät ominaisuudet.

Lämpöä johtavien tahnojen valmistus liittyy parhaiden lämpöä johtavien komponenttien ja täyteaineiden käyttöön, joilla on riittävän korkea lämmönjohtavuus.

Mikrodispergoidut ja nanodispergoidut jauheet ja seokset, jotka perustuvat volframiin, kupariin, hopeaan, timanttiin, sinkki- ja alumiinioksidiin, alumiini- ja boorinitridiin, grafiittiin, grafeeniin jne.

Sideaine tahnan koostumuksessa voi olla mineraali- tai synteettistä öljyä, erilaisia ​​seoksia ja nesteitä, joilla on alhainen haihtuvuus. On olemassa lämpötahnoja, joiden sideaine polymeroituu ilmassa.

Tapahtuu, että tahnan tiheyden lisäämiseksi sen koostumukseen lisätään helposti höyrystyviä komponentteja niin, että levitettynä tahna on nestemäinen ja muuttuu sitten lämpörajapinnaksi, jolla on korkea tiheys ja lämmönjohtavuus. Tämän tyyppisillä lämmönjohtavuuskoostumuksilla on se ominaisuus, että ne saavuttavat maksimaalisen lämmönjohtavuuden 5-100 tunnin normaalin käytön jälkeen.

On metallipohjaisia ​​tahnoja, jotka ovat nestemäisiä huoneenlämmössä. Tällaiset tahnat koostuvat puhtaasta galliumista ja indiumista sekä niihin perustuvista seoksista.

Parhaat ja kalleimmat tahnat on valmistettu hopeasta. Alumiinioksidipohjaisia ​​tahnoja pidetään optimaalisina. Hopea ja alumiini antavat lopputuotteen alhaisimman lämpövastuksen. Keraamipohjaiset tahnat ovat halvempia, mutta myös vähemmän tehokkaita.

Yksinkertaisin lämpötahna voidaan valmistaa sekoittamalla hiekkapaperille hierotun tavallisen grafiittikynän lyijyjauheeseen muutama pisara mineraalivoiteluöljyä.

Kuten edellä on todettu, lämpöpastan yleinen käyttö on lämpörajapintana elektronisissa laitteissa, missä sitä tarvitaan, ja sitä käytetään lämpöä tuottavan elementin ja lämpöä haihduttavan rakenteen välillä, esimerkiksi prosessorin ja jäähdyttimen välillä.

Lämpöä johtavaa pastaa käytettäessä tärkeintä on pitää kerroksen paksuus mahdollisimman pienenä. Tämän saavuttamiseksi on välttämätöntä noudattaa tiukasti tahnan valmistajan suosituksia.

Hieman tahnaa levitetään kahden osan lämpökosketusalueelle ja murskataan sitten samalla kun painetaan kaksi pintaa yhteen. Siten tahna täyttää pintojen pienimmät kuopat ja edistää tasaisen ympäristön muodostumista lämmön jakautumista ja siirtoa varten.

Lämpörasva sopii hyvin erilaisten elektroniikan kokoonpanojen ja komponenttien jäähdyttämiseen, joiden lämmönluovutus on tietyn kotelon tyypistä ja ominaisuuksista riippuen tietylle komponentille sallittua suurempi. Hakkuriteholähteiden mikropiirit ja transistorit, kuvalamppulaitteiden lineaariset skannerit, akustisten vahvistimien tehoasteet jne. Ne ovat yleisiä lämpötahnan käyttöpaikkoja.

Lämmönsiirtoliima

Kun lämpöä johtavan tahnan käyttö on jostain syystä mahdotonta, esimerkiksi koska komponentteja ei voida puristaa tiiviisti toisiinsa kiinnikkeillä, he turvautuvat lämpöä johtavan liiman käyttöön. Jäähdytyselementti liimataan yksinkertaisesti transistoriin, prosessoriin, siruun jne.

Liitos osoittautuu erottamattomaksi, joten se vaatii erittäin tarkkaa lähestymistapaa ja tekniikan noudattamista oikeaan ja laadukkaaseen liimaukseen. Jos tekniikkaa rikotaan, lämpörajapinnan paksuus voi osoittautua erittäin suureksi ja liitoksen lämmönjohtavuus heikkenee.

Lämpöä johtavat ruukkusekoitukset

Kun korkean lämmönjohtavuuden lisäksi vaaditaan hermeettisyyttä, sähköistä ja mekaanista lujuutta, jäähdytetyt moduulit täytetään yksinkertaisesti polymeroituvalla seoksella, joka on suunniteltu siirtämään lämpöä kuumennetusta komponentista laitteen koteloon.

Jos jäähdytetyn moduulin on haihdutettava paljon lämpöä, tulee yhdisteellä olla myös riittävä lämmönkestävyys, lämpökierto ja kestettävä moduulin sisällä olevan lämpötilagradientin aiheuttama lämpörasitus.

Matalasti sulavat metallit

Lämpöliitännät ovat saamassa yhä enemmän suosiota perustuen kahden pinnan juottamiseen matalassa lämpötilassa sulavalla metallilla. Jos tekniikkaa sovelletaan oikein, on mahdollista saavuttaa ennätysalhainen lämmönjohtavuus, mutta menetelmä on monimutkainen ja sisältää monia rajoituksia.

Ensinnäkin on tarpeen valmistella laadukkaasti liitospinnat asennusta varten, riippuen niiden materiaalista, tämä voi olla vaikea tehtävä.

Korkean teknologian teollisuudessa on mahdollista juottaa mitä tahansa metalleja huolimatta siitä, että jotkut niistä vaativat erityistä pintakäsittelyä. Jokapäiväisessä elämässä vain metallit, jotka soveltuvat hyvin tinaukseen, sidotaan laadullisesti: kupari, hopea, kulta jne.

Keramiikka, alumiini ja polymeerit eivät sovellu tinaukseen ollenkaan, niiden kanssa tilanne on monimutkaisempi, täällä ei ole mahdollista saavuttaa osien galvaanista eristystä.

Ennen juottamisen aloittamista tulevat liitettävät pinnat on puhdistettava liasta. On tärkeää tehdä se tehokkaasti, puhdistaa se korroosion jälkiltä, ​​koska matalissa lämpötiloissa juoksutteet eivät yleensä auta.

Puhdistus tehdään yleensä mekaanisesti alkoholilla, eetterillä tai asetonilla. Tätä varten lämpöliitäntäpakkauksessa on joskus kova liina ja alkoholipyyhe.Työ on tehtävä käsineillä, koska käsistä saatava rasva varmasti huonontaa juotoksen laatua.

Itse juottaminen on suoritettava lämmittämällä ja noudattaen valmistajan määrittämää lujuutta. Jotkut teollisista lämpöliitännöistä vaativat liitettyjen osien pakollisen esilämmityksen 60-90 °C:seen, ja tämä voi olla vaarallista joillekin herkille elektronisille komponenteille. Alkulämmitys tehdään yleensä hiustenkuivaajalla, ja sitten juotos viimeistellään työlaitteen itsekuumenemalla.

Tämän tyyppisiä lämpörajapintoja myydään loistofolion muodossa, jonka sulamispiste on hieman huoneenlämpötilaa korkeampi, sekä tahnojen muodossa. Esimerkiksi kalvon muodossa olevan Fieldsin lejeeringin sulamispiste on 50 °C. Tahnan muodossa oleva Galinstan sulaa huoneenlämpötilassa. Toisin kuin folio, tahnat ovat vaikeampia käyttää, koska ne on upotettava erittäin hyvin juotettaviin pintoihin, kun taas folio vaatii vain kunnollista kuumennusta kokoamisen aikana.

Eristystiivisteet

Tehoelektroniikassa tarvitaan usein sähköinen eristys lämmönsiirto- ja jäähdytyselementtien välillä. Siksi, kun lämpöä johtava tahna ei ole sopiva, käytetään silikonia, kiillettä tai keraamisia substraatteja.

Joustavat pehmeät pehmusteet on valmistettu silikonista, kovat tyynyt on valmistettu keraamista. On olemassa kupari- tai alumiinilevyyn perustuvia painettuja piirilevyjä, jotka on päällystetty ohuella keramiikkakerroksella, joille on levitetty jälkiä kuparifoliosta.

Yleensä nämä ovat yksipuolisia levyjä, toisella puolella kiskoa, ja toisella on pinta jäähdyttimeen kiinnitystä varten.

Lisäksi erikoistapauksissa valmistetaan tehokomponentteja, joissa kotelon metalliosa, joka on kiinnitetty jäähdyttimeen, peitetään välittömästi epoksikerroksella.

Lämpörajapintojen käytön ominaisuudet

Lämpöliitäntää asennettaessa ja irrotettaessa on noudatettava tiukasti sen valmistajan sekä jäähdytetyn (jäähdytys)laitteen valmistajan suosituksia. On tärkeää olla erityisen varovainen työskennellessään sähköä johtavien lämpörajapintojen kanssa, koska sen ylimäärä voi joutua muihin piireihin ja aiheuttaa oikosulun.