Tepelně vodivé pasty, lepidla, směsi a izolační tepelná rozhraní – účel a použití

Pro zlepšení kvality přenosu tepla z povrchu, který je potřeba účinně chladit, do zařízení určeného k rekuperaci tohoto tepla se používají tzv. tepelná rozhraní.

Tepelné rozhraní je vrstva, obvykle vícesložkové tepelně vodivé sloučeniny, obvykle pasty nebo směsi.

Nejoblíbenější tepelná rozhraní jsou dnes ta, která se používají pro mikroelektronické komponenty v počítačích: pro procesory, pro čipy grafických karet atd. Tepelná rozhraní jsou široce používána v jiné elektronice, kde se silové obvody také zahřívají, a proto potřebují účinné a kvalitní chlazení... Tepelná rozhraní jsou také použitelná ve všech typech systémů zásobování teplem.

Tak či onak se různé tepelně vodivé sloučeniny používají při výrobě výkonové elektroniky, radioelektroniky, výpočetní a měřicí techniky, v zařízeních s teplotními čidly apod., tedy tam, kde se obvykle vyskytují součástky ohřívané provozním proudem popř. nějakým jiným způsobem.s velkým odvodem tepla. Dnes existují tepelná rozhraní následujících forem: pasta, lepidlo, směs, kov, těsnění.

Pasta pro přenos tepla

Tepelná pasta nebo jednoduše tepelná pasta je velmi běžnou formou moderního tepelného rozhraní. Jedná se o vícesložkovou plastovou směs s dobrou tepelnou vodivostí. Tepelné pasty se používají ke snížení tepelného odporu mezi dvěma kontaktními plochami, například mezi čipem a chladičem.

Díky tepelně vodivé pastě je vzduch s jeho nízkou tepelnou vodivostí mezi radiátorem a chlazeným povrchem nahrazen pastou s výrazně vyšší tepelnou vodivostí.

Nejběžnějšími pastami ruské výroby jsou KPT-8 a AlSil-3. Oblíbené jsou také pasty Zalman, Cooler Master a Steel Frost.

Hlavní požadavky na tepelně vodivou pastu jsou, aby měla co nejnižší tepelný odpor, aby si stabilně zachovala své vlastnosti v čase a v celém rozsahu pracovních teplot, aby se snadno nanášela a smývala a v některých případech je užitečné, že existují vhodné elektroizolační vlastnosti.

Výroba tepelně vodivých past souvisí s použitím nejlepších tepelně vodivých složek a plniv s dostatečně vysokou tepelnou vodivostí.

Mikrodisperzní a nanodisperzní prášky a směsi na bázi wolframu, mědi, stříbra, diamantu, zinku a oxidu hlinitého, nitridu hliníku a boru, grafitu, grafenu atd.

Pojivem ve složení pasty může být minerální nebo syntetický olej, různé směsi a kapaliny s nízkou těkavostí. Existují teplovodivé pasty, jejichž pojivo polymeruje na vzduchu.

Stává se, že za účelem zvýšení hustoty pasty se do jejího složení přidávají snadno odpařitelné složky, takže pasta je při aplikaci tekutá a poté se přemění na tepelné rozhraní s vysokou hustotou a tepelnou vodivostí. Tepelně vodivé kompozice tohoto typu mají charakteristickou vlastnost dosáhnout maximální tepelné vodivosti po 5 až 100 hodinách normálního provozu.

Existují pasty na bázi kovu, které jsou při pokojové teplotě kapalné. Takové pasty se skládají z čistého galia a india, jakož i slitin na jejich bázi.

Nejlepší a nejdražší pasty jsou ze stříbra. Za optimální jsou považovány pasty na bázi oxidu hlinitého. Stříbro a hliník dávají nejnižší tepelný odpor konečnému produktu. Pasty na keramické bázi jsou levnější, ale také méně účinné.

Nejjednodušší teplovodivou pastu lze vyrobit smícháním olověného prášku z obyčejné grafitové tužky natřené na brusný papír s několika kapkami minerálního mazacího oleje.

Jak bylo uvedeno výše, běžné použití tepelné pasty je jako tepelná rozhraní v elektronických zařízeních tam, kde je to potřeba, a používá se mezi prvkem generujícím teplo a strukturou rozptylující teplo, například mezi procesorem a chladičem.

Hlavní věc, kterou je třeba dodržovat při použití tepelně vodivé pasty, je udržet tloušťku vrstvy na minimu. K tomu je nutné striktně dodržovat doporučení výrobce pasty.

Na oblast tepelného kontaktu obou částí se nanese trocha pasty a poté se jednoduše rozdrtí, zatímco se oba povrchy stlačují k sobě. Pasta tak vyplní nejmenší důlky na površích a přispěje k vytvoření homogenního prostředí pro rozvod a přenos tepla ven.

Termoplastika je vhodná pro chlazení různých sestav a součástí elektroniky, jejichž uvolňování tepla je vyšší, než je pro určitou součást přípustné, v závislosti na typu a vlastnostech konkrétního pouzdra. Mikroobvody a tranzistory spínaných zdrojů, lineární snímače zařízení obrazových lamp, výkonové stupně akustických zesilovačů atd. Jsou běžnými místy pro použití teplovodivé pasty.

Lepidlo pro přenos tepla

Když je použití teplovodivé pasty z nějakého důvodu nemožné, například kvůli neschopnosti pevně přitlačit součásti k sobě pomocí spojovacích prvků, uchýlí se k použití tepelně vodivého lepidla. Chladič se jednoduše nalepí na tranzistor, procesor, čip atd.

Spojení se ukazuje jako nerozebíratelné, proto vyžaduje vysoce přesný přístup a dodržení technologie pro správné a kvalitní lepení. Pokud dojde k porušení technologie, tloušťka tepelného rozhraní se může ukázat jako velmi velká a tepelná vodivost spoje se zhorší.

Tepelně vodivé zalévací směsi

Když je kromě vysoké tepelné vodivosti požadována hermetičnost, elektrická a mechanická pevnost, ochlazené moduly se jednoduše naplní polymerovatelnou směsí, která je určena k přenosu tepla z ohřívané součásti do pouzdra zařízení.

Pokud musí chlazený modul odvádět velké množství tepla, pak musí mít směs také dostatečnou odolnost proti zahřívání, tepelnému cyklování a musí být schopna odolat tepelnému namáhání vyplývajícímu z teplotního gradientu uvnitř modulu.

Nízkotavitelné kovy

Tepelná rozhraní si získávají stále větší oblibu na základě pájení dvou povrchů nízkotavitelným kovem. Pokud je technologie aplikována správně, je možné získat rekordně nízkou tepelnou vodivost, ale metoda je složitá a nese mnohá omezení.

Nejprve je nutné kvalitativně připravit protilehlé povrchy pro instalaci, v závislosti na jejich materiálu to může být obtížný úkol.

V high-tech průmyslu je možné pájet jakékoliv kovy, přestože některé z nich vyžadují speciální přípravu povrchu. V každodenním životě budou kvalitativně spojeny pouze kovy, které jsou vhodné pro cínování: měď, stříbro, zlato atd.

Keramika, hliník a polymery se k cínování vůbec nehodí, u nich je situace složitější, zde nebude možné dosáhnout galvanického oddělení dílů.

Před zahájením pájení je třeba budoucí spojované povrchy očistit od všech nečistot. Je důležité to udělat efektivně, vyčistit to od stop koroze, protože při nízkých teplotách tavidla obecně nepomohou.

Čištění se obvykle provádí mechanicky pomocí alkoholu, éteru nebo acetonu. Z tohoto důvodu je někdy v balení tepelného rozhraní přítomna tvrdá tkanina a alkoholový hadřík.Práce musí být prováděna v rukavicích, protože tuk, který lze získat z rukou, jistě zhorší kvalitu pájení.

Samotné pájení musí být provedeno zahřátím a dodržením pevnosti udávané výrobcem. Některá průmyslová tepelná rozhraní vyžadují povinné předehřátí připojených částí na 60-90 °C, což může být nebezpečné pro některé citlivé elektronické součástky. Počáteční ohřev se obvykle provádí vysoušečem vlasů a poté je pájení dokončeno samozahříváním pracovního zařízení.

Tepelná rozhraní tohoto typu se prodávají jak ve formě slávové fólie s bodem tání mírně nad pokojovou teplotou, tak i ve formě past. Například Fieldsova slitina ve formě fólie má bod tání 50 °C. Galinstan ve formě pasty taje při pokojové teplotě. Na rozdíl od fólie jsou pasty obtížněji použitelné, protože musí být velmi dobře zapuštěny do pájených ploch, zatímco fólie vyžaduje pouze správné zahřátí při montáži.

Izolační těsnění

Ve výkonové elektronice je často vyžadována elektrická izolace mezi prvky přenosu tepla a chladiče. Proto, když není vhodná tepelně vodivá pasta, používají se silikonové, slídové nebo keramické substráty.

Pružné měkké podložky jsou vyrobeny ze silikonu, tvrdé podložky jsou vyrobeny z keramiky. Existují desky plošných spojů na bázi měděného nebo hliníkového plechu pokrytého tenkou vrstvou keramiky, na které jsou naneseny stopy měděné fólie.

Obvykle se jedná o jednostranné desky, na jedné straně kolejnice a na druhé je plocha pro připevnění k radiátoru.

Kromě toho se ve speciálních případech vyrábějí výkonové komponenty, u kterých je kovová část pouzdra, která je připevněna k radiátoru, okamžitě pokryta vrstvou epoxidu.

Vlastnosti použití tepelných rozhraní

Při aplikaci a odstranění tepelného rozhraní je nutné striktně dodržovat doporučení jeho výrobce, stejně jako výrobce chlazeného (chladícího) zařízení. Při práci s elektricky vodivými tepelnými rozhraními je důležité být obzvláště opatrní, protože jeho přebytek se může dostat do dalších obvodů a způsobit zkrat.