Чтобы улучшить качество переноса тепла от поверхности, которую необходимо эффективно охлаждать, к устройству, которое призвано данное тепло утилизировать, используют так называемые термоинтерфейсы.
Термоинтерфейсом называется слой, как правило, многокомпонентного теплопроводящего состава, обычно пасты или компаунда.
Наиболее популярными термоинтерфейсами на сегодня являются те, что применяются на микроэлектронных компонентах внутри компьютеров: на процессорах, на чипах видеокарт и т. д. Широко распространены термоинтерфейсы и в другой электронике, где силовые цепи также испытывают сильный нагрев и поэтому нуждаются в эффективном и качественном охлаждении. Применимы термоинтерфейсы и в разного рода системах теплоснабжения.
Так или иначе, различные теплопроводные составы используются в производстве силовой электроники, радиоэлектроники, вычислительной и измерительной техники, в устройствах с датчиками температуры и т. д., то есть там, где обычно присутствуют нагреваемые от рабочего тока или как-то по-другому компоненты с высоким тепловыделением. Сегодня встречаются термоинтерфейсы следующих форм: паста, клей, компаунд, металл, прокладка.
Теплопроводная паста
Теплопроводная паста или просто термопаста — очень распространенная форма современного термоинтерфейса. Она представляет собой многокомпонентный пластичный состав, обладающий хорошей теплопроводностью. Термопасты используют для снижения теплового сопротивления между двумя контактирующими поверхностями, например между чипом и радиатором.
Благодаря теплопроводящей пасте, воздух с его низкой теплопроводностью между радиатором и охлаждаемой поверхностью, заменяется на пасту со значительно более высокой теплопроводностью.
Самые распространенные пасты российского производства — КПТ-8 и АлСил-3. Также популярны пасты марок Zalman, Cooler Master и Steel Frost.
Главные требования к теплопроводной пасте заключаются в том, чтобы она обладала по возможности наименьшим тепловым сопротивлением, стабильно сохраняла бы свои свойства с течением времени и во всем диапазоне рабочих температур, легко наносилась и смывалась, а в некоторых случаях полезно чтобы она обладала еще и надлежащими электроизоляционными свойствами.
Производство теплопроводных паст связано с использованием лучших теплопроводящих компонентов и наполнителей с достаточно высокой теплопроводностью.
Микродисперсные и нанодисперсные порошки и смеси на основе вольфрама, меди, серебра, алмаза, оксида цинка и алюминия, нитрида алюминия и бора, графита, графена и т. д.
Связующим веществом в составе пасты может быть минеральное или синтетическое масло, различные смеси и жидкости с низкой испаряемостью. Есть термопасты, связующий компонент которых полимеризуется на воздухе.
Бывает, для того чтобы повысить плотность пасты, в ее состав добавляют легкоиспаряемые компоненты, дабы при нанесении паста была бы жидкой, а затем превращалась в термоинтерфейс высокой плотности и теплопроводности. Теплопроводные составы такого типа имеют характерное свойство выходить на максимум теплопроводности спустя от 5 до 100 часов работы в обычном режиме.
Есть пасты на основе металлов, которые при комнатной температуре являются жидкими. Такие пасты состоят из чистых галлия и индия, а также сплавов на их основе.
Лучшие и наиболее дорогостоящие пасты готовят на основе серебра. Оптимальными считаются пасты на основе оксида алюминия. Серебро и алюминий дают наименьшее тепловое сопротивление конечного продукта. Пасты на основе керамики стоят дешевле, но и эффективность у них меньше.
Простейшую термопасту можно изготовить смешав порошок, полученный из грифеля простого графитового карандаша, натертого на наждачной бумаге, с несколькими каплями минерального смазочного масла.
Как отмечалось выше, обычное применение термопасты — в качестве термоинтерфейсов в электронных устройствах, где она необходима, и наносится между тепловыделяющим элементом и конструкцией отводящей тепло, например между процессором и кулером.
Главное, что необходимо соблюсти, применяя теплопроводящую пасту, - толщина слоя должна быть минимальной. Чтобы этого добиться, необходимо четко соблюдать рекомендации от изготовителя пасты.
Немного пасты наносится на область теплового контакта двух деталей, а затем она просто раздавливается во время прижима двух поверхностей друг к другу. Так паста заполнит малейшие ямки на поверхностях и поспособствует образованию однородной среды для распространения и передачи тепла наружу.
Хороша термопаста для охлаждения различных узлов и компонентов электроники, тепловыделение которых выше допустимого для того или иного компонента, в зависимости от вида и особенностей конкретного корпуса. Микросхемы и транзисторы импульсных источников питания, блоков строчной развертки устройств с кинескопами, силовые каскады акустических усилителей и т. д. - обычные места применения термопасты.
Теплопроводный клей
Когда применение теплопроводной пасты по какой-нибудь причине невозможно, например из-за отсутствия возможности плотно прижать компоненты друг к другу крепежом, прибегают к использованию теплопроводного клея. Радиатор просто приклеивают к транзистору, процессору, микросхеме и т. д.
Соединение получается неразборным, поэтому требует высокоточного подхода и соблюдения технологии правильной и качественной склейки. Если технологию нарушить, толщина термоинтерфейса может получиться очень большой, и теплопроводность соединения ухудшится.
Теплопроводные заливочные компаунды
Когда кроме высокой теплопроводности требуется герметичность, электрическая и механическая прочность, охлаждаемые модули просто заливают полимеризуемым компаундом, который призван передать тепло от нагреваемого компонента на корпус прибора.
В случае если охлаждаемый модуль должен рассеивать много тепла, то и компаунд должен обладать достаточной стойкостью к нагреву, к термоциклированию, быть способным выдержать термическое напряжение, возникающее из-за температурного градиента внутри модуля.
Легкоплавкие металлы
Все более набирают популярность термоинтерфейсы, в основе которых спайка двух поверхностей легкоплавким металлом. Если технологию применить правильно, то можно получить рекордно низкую удельную теплопроводность, однако метод сложен и несет с собой много ограничений.
Прежде всего необходимо качественно подготовить к монтажу сопрягаемые поверхности, в зависимости от их материала, это может стать непростой задачей.
На технологичных производствах возможна пайка любых металлов, несмотря на то, что некоторые из них требуют особой подготовки поверхности. В быту качественно соединить получится лишь металлы хорошо поддающиеся лужению: медь, серебро, золото и т. п.
Керамика, алюминий и полимеры совершенно не поддаются лужению, с ними дело обстоит сложнее, здесь не получится достичь гальванической изоляции деталей.
Прежде чем начать паять, будущие соединяемые поверхности необходимо очистить от всевозможных загрязнений. Важно сделать это качественно, очистить от следов коррозии, ведь при низких температурах флюсы в принципе не помогут.
Очистку обычно выполняют механически, с применением спирта, эфира или ацетона. Именно для этого в упаковке с термоинтерфейсом иногда присутствует жесткая мочалка и проспиртованная салфетка. Работу нужно проводить в перчатках, так как жир, который может попасть с рук, непременно ухудшит качество пайки.
Сама пайка должна выполняться с нагревом и соблюдением усилия, которое задает производитель. Некоторые из промышленных термоинтерфейсов требуют обязательного предварительного прогрева соединяемых деталей до 60-90 °C, а это может быть опасно для некоторых чувствительных электронных компонентов. Первоначальный разогрев обычно выполняют феном, а затем завершают пайку саморазогревом работающего устройства.
Термоинтерфейсы данного типа продаются в виде фольги, изготовленной из слава обладающего температурой плавления немного выше комнатной, а также в виде паст. Например сплав Филдса в виде фольги имеет температуру плавления от 50 °C. Галинстан в форме пасты плавится уже при комнатной температуре. Пасты, в отличие от фольги, применять сложнее, так как их нужно очень хорошо вмазывать в спаиваемые поверхности, тогда как фольга требует лишь надлежащего прогрева при монтаже.
Изолирующие прокладки
В силовой электронике часто необходима электрическая изоляция между теплопередающими и теплопринимающими элементами. Поэтому, когда теплопроводящая паста не подходит, используют силиконовые, слюдяные или керамические подложки — прокладки.
Гибкие мягкие прокладки изготавливаются из силикона, твердые — из керамики. Встречаются печатные платы на основе медного или алюминиевого листа, покрытого тонким слоем керамики, поверх которого наносятся медные фольгированные дорожки.
Обычно это односторонние платы, с одной стороны дорожки, а с другой — поверхность для крепления к радиатору.
Кроме того выпускаются силовые компоненты в специальных корпусах, у которых металлическая часть корпуса, которая крепится к теплоотводу, сразу покрыта слоем эпоксидного состава.
Особенности применения термоинтерфейсов
При нанесении и снятии термоинтерфейса необходимо строго соблюдать рекомендации его производителя, а также производителя охлаждаемого (охлаждающего) устройства. Особую осторожность важно проявлять работая с электропроводящими термоинтерфейсами, поскольку его излишки могут попасть на другие цепи и вызвать короткое замыкание.