Spis treści
Wprowadzenie i podstawy rozpraszaczy ciepła
Klasyfikacja i zastosowania rozpraszaczy ciepła
Rozpraszacze ciepła można sklasyfikować w następujący sposób:
- Metalowe rozpraszacze ciepła
- Urządzenia zmieniające fazę
- Połączenia termotransferowe
- Przewody cieplne
- Wentylator
- Obudowa
Są one wykorzystywane w różnych aplikacjach, w tym w procesorach komputerowych, urządzeniach mobilnych i elektronice samochodowej.
Wysoka przewodność cieplna, niska rezystancja termiczna, duża powierzchnia, konstrukcja rozpraszania ciepła i materiały interfejsu termicznego (TIM) to niektóre z cech charakterystycznych rozpraszaczy ciepła, jak pokazano na rys. 1.
Rozpraszacze ciepła mogą zapobiegać uszkodzeniom komponentów, poprawiać wydajność i rozpraszać ciepło z komponentów elektronicznych. Urządzenia elektroniczne w różnych zastosowaniach mogą korzystać z rozpraszaczy ciepła w celu przezwyciężenia problemów termicznych oraz poprawy ich wydajności i żywotności.
Rozdzielacze ciepła są często wykorzystywane do następujących celów:
- Obwody chłodzenia powietrzem ze zintegrowanymi komponentami, takimi jak mikroprocesory.
- Podłoża dla wysokowydajnych układów scalonych i diod laserowych
- Chłodzenie ogniw fotowoltaicznych w skoncentrowanych systemach fotowoltaicznych
- Sprzęt lotniczy i urządzenia satelitarne, takie jak urządzenia o wysokiej częstotliwości radiowej
- Systemy oświetlenia LED
- Wydajne procesory CPU i GPU w komputerach i serwerach
- Diody laserowe dużej mocy i optyka laserowa
- Komponenty energoelektroniczne
- Pojazdy elektryczne muszą zarządzać temperaturą systemu akumulatorów.
Zastosowania te pokazują wszechstronność i znaczenie rozdzielaczy ciepła w różnych branżach, w których efektywne rozpraszanie ciepła jest niezbędne dla optymalnej wydajności i niezawodności sprzętu.
Metody i sprzęt pomiarowy dla rozsiewaczy ciepła
Metody pomiaru temperatury TIM można ogólnie podzielić na stacjonarne i niestacjonarne (przejściowe).
Przewodność cieplną można mierzyć za pomocą metody błysku laserowego i metody gorącego drutu, które są pomiarami niestacjonarnymi, a metoda termorefleksji w dziedzinie czasu (TDTR) jest zaawansowanym stacjonarnym pomiarem TIMs.
Metody ciągłe i przejściowe lub impulsowe nagrzewnice laserowe to zaawansowane techniki określania przewodności cieplnej materiałów, w tym przewodników cieplnych w ceramice.
Metody te zostały szczegółowo wyjaśnione.
LFA (Light/Laser Flash Analyser) , TFA (Thin Film Analyser) , TF-LFA (Thin Film Laser Flash Analyser) , Okresowe ogrzewanie laserowe i Tester TIM to przyrządy pomiarowe wykorzystywane do charakteryzowania właściwości termicznych materiałów, w tym przewodników ciepła.
Przyrządy te są przeznaczone do pomiaru dyfuzyjności cieplnej i przewodności różnych materiałów, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia wymiany ciepła i zarządzania ciepłem w urządzeniach elektronicznych i innych zastosowaniach.
1. LFA (Light/Laser Flash Analyser):
Metoda LFA (in-plane) opiera się na zasadzie ogrzewania jednej strony płaskiej, równoległej próbki za pomocą krótkiego impulsu energii (lasera lub światła) i pomiaru wzrostu temperatury po przeciwnej stronie za pomocą detektora podczerwieni, jak pokazano na rys. 2.
Dyfuzyjność cieplna jest obliczana na podstawie zależnego od czasu wzrostu temperatury, a przewodność cieplna jest określana za pomocą wzoru wykorzystującego dyfuzyjność cieplną, pojemność cieplną właściwą i gęstość masy. Do obliczenia przewodności cieplnej próbki wykorzystuje się dyfuzyjność cieplną, pojemność cieplną właściwą (Cp) i gęstość masową (ρ).
gdzie λ to przewodność cieplna, α to dyfuzyjność cieplna, ρ to gęstość masy, a Cp to pojemność cieplna właściwa.
LFA może być stosowany do różnych materiałów i jest oparty na normach krajowych i międzynarodowych, takich jak ASTM E1461, DIN EN 821, DIN 30905, ISO 8301, BS EN 1159-2, ASTM C714, ASTM C518 i innych.
2) TFA (analizator cienkowarstwowy):
3. TF-LFA (cienkowarstwowy laserowy analizator błysku):
PLH (okresowe ogrzewanie laserowe):
Okresowe nagrzewanie laserowe wykorzystuje wysokoenergetyczne, krótkotrwałe impulsy laserowe do szybkiego (w płaszczyźnie) i selektywnego nagrzewania materiałów.
Proces ten polega na skierowaniu impulsu laserowego na powierzchnię próbki i wygenerowaniu wysokiej gęstości energii w punkcie uderzenia.
Energia ta jest pochłaniana przez materiał i prowadzi do szybkiego podgrzania warstwy powierzchniowej powyżej temperatury rekrystalizacji przez pewien okres czasu, zanim ostygnie.
Fizyczne i chemiczne właściwości materiału są zmieniane przez szybkie i intensywne ogrzewanie spowodowane przez laser impulsowy. Podczas tego procesu dochodzi do migracji atomów w sieci krystalicznej, co zmniejsza liczbę dyslokacji oraz zmienia twardość i plastyczność materiału.
Materiał ulega rekrystalizacji poprzez szybkie hartowanie wodą lub powolne chłodzenie powietrzem, a szybkość ogrzewania i chłodzenia wpływa na skład fazy krystalicznej i wielkość ziarna, co ostatecznie określa właściwości materiału.
PLH są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w przewodnictwie cieplnym. Systemy te wykorzystują impulsowe ogrzewanie laserowe w celu uzyskania określonych modyfikacji materiału i obróbki powierzchni.
Wykorzystanie laserów impulsowych pozwala na precyzyjną kontrolę nad procesem nagrzewania, umożliwiając takie zastosowania jak selektywna rekrystalizacja półprzewodników, spawanie metali, utwardzanie powierzchniowe stali narzędziowych i zmiany fazowe w optycznych nośnikach danych.
Dlatego też PLH odgrywa kluczową rolę w różnych dziedzinach przemysłu i badań, zapewniając precyzyjne i kontrolowane ogrzewanie w różnych zastosowaniach, w tym w przewodnikach cieplnych. Ponadto, możliwość wykonywania badań czasowo-rozdzielczych i łączenia ich z różnymi technikami spektroskopowymi umożliwia lepsze zrozumienie zachowania materiału w warunkach wysokiej temperatury, co może pomóc w optymalizacji wydajności przewodników cieplnych w różnych zastosowaniach.
Łącznie techniki te umożliwiają precyzyjną kontrolę rozkładu temperatury podczas impulsowego ogrzewania laserowego w zastosowaniach związanych z przewodnictwem cieplnym, zapewniając wydajne i kontrolowane procesy ogrzewania przy jednoczesnym zachowaniu integralności przetwarzanych materiałów.
Wpływ wypełniaczy na przewodność cieplną rozpraszaczy ciepła
Opór cieplny rozpraszacza ciepła może być silnie uzależniony od zastosowanego wypełniacza.
Przewodność cieplną rozpraszacza ciepła można poprawić poprzez dodanie wypełniaczy do jego materiału bazowego, co ma kluczowe znaczenie dla jego skuteczności w rozpraszaniu ciepła.
Wybór materiału wypełniającego ma wpływ na przewodność cieplną, stabilność termiczną i właściwości mechaniczne rozpraszacza ciepła.
- Diament jest jednym z najskuteczniejszych wypełniaczy zwiększających przewodność cieplną, o przewodności cieplnej 2000 W/m-K. Przewodność cieplna rozpraszacza ciepła może zostać znacznie poprawiona dzięki jego wysoce przewodzącym właściwościom.
- Azotek boru (BN), dzięki swojej płytkowej morfologii, ułatwia interakcje między cząsteczkami i zwiększa przewodność cieplną. Materiał kompozytowy z azotkiem boru może zwiększyć przewodność cieplną prawie pięciokrotnie w porównaniu z materiałem kompozytowym wypełnionym diamentem przy obciążeniu 15% objętości.
- Tlenek glinu może nieznacznie zwiększyć przewodność cieplną, ze wzrostem o 30 W/m-K. Chociaż jest mniej wydajny niż diament lub azotek boru, nadal może poprawić przewodność cieplną rozpraszacza ciepła.
- Dwutlenek krzemu jest często stosowany w celu zmniejszenia współczynnika rozszerzalności cieplnej zamiast zwiększania przewodności cieplnej ze względu na jego niską skuteczność w poprawie przewodności cieplnej.
- Wypełniacze silikonowe są często stosowane w materiałach interfejsu termicznego (TIM) w celu poprawy propagacji i transferu ciepła przez TIM.
Materiały interfejsu termicznego (TIM): Rodzaje i zastosowania
Thermal Interface Material Tester(tester TIM) to urządzenie, które mierzy impedancję termiczną próbek materiałów i określa ich pozorną przewodność cieplną (w płaszczyźnie i w płaszczyźnie poprzecznej).
Materiały interfejsu termicznego o przewodności cieplnej wynoszącej zaledwie 0,0263 W/MK sprawiają, że powietrze jest jednym z najgorszych przewodników ciepła. Dlatego należy unikać kieszeni powietrznych między komponentami, aby zapobiec gromadzeniu się ciepła.
W tym przypadku TIM pomagają zamknąć szczeliny spowodowane nierównościami, tolerancjami lub chropowatością i zapewniają, że nie występują kieszenie powietrzne. Materiały interfejsu termicznego są dostępne w różnych wersjach, np. jako:
- Pasty termoprzewodzące,
- Klej przewodzący ciepło,
- Folie grafitowe i aluminiowe,
- Folie piankowe i żelowe,
- Pojedyncze i dwustronne samoprzylepne folie termoprzewodzące,
- materiały zmieniające fazę (PCM),
- Elastomery zawierające silikon i niezawierające silikonu,
- Kapton i dyski mikowe,
- Materiały z tlenku aluminium
Wypełniacz szczelin lub masa uszczelniająca
Pasta
Podkładki
Poduszki jako stos
Tester TIM może obsługiwać próbki o różnych rozmiarach i kształtach, w tym ciała stałe, pasty, podkładki i inne. Działa zgodnie z normą ASTM D5470, która mierzy opór cieplny i przewodność materiałów przewodzących ciepło.
Które układy TIM najlepiej nadają się do konkretnych zastosowań?
Nie każdy materiał nadaje się jako uniwersalny materiał do wszystkich zastosowań w elektronice. Aby znaleźć idealny TIM, programiści w dziedzinie badań nad materiałami muszą wziąć pod uwagę różne właściwości materiału, takie jak opór cieplny, przewodność cieplna, impedancja cieplna, tolerancje mechaniczne styku, zakres temperatur, kompatybilność środowiskowa i wiele innych.
To, który materiał jest najbardziej odpowiedni, zależy od zastosowania. Trzy główne rodzaje TIM to folie termoprzewodzące, pasty termoprzewodzące i kleje termoprzewodzące. Różnią się one między innymi zastosowaniem, grubością warstwy, izolacją elektryczną i przewodnością cieplną.
Pasty termoprzewodzące
Materiały zmiennofazowe
Materiały zmiennofazowe stanowią rozwinięcie konwencjonalnych past termoprzewodzących. Jako materiał arkuszowy, te TIM mają ciągłą grubość warstwy, co umożliwia czysty bezpośredni montaż na radiatorze. PCM charakteryzują się również temperaturą przemiany fazowej.
W temperaturze od 45 do 55°C konsystencja tych materiałów zmienia się ze stałej na miękką. W rezultacie wpływają one do wszystkich szczelin między komponentami, do których są stosowane. Jeśli temperatura ponownie spadnie poniżej temperatury przemiany fazowej, odpowiednie medium powraca do swojego pierwotnego stanu bez przerywania połączenia z punktami styku.
Wykończenie powierzchni i wybór TIM
Aby móc stosować pasty lub kleje przewodzące ciepło, powierzchnie powinny być niemal idealne pod względem tolerancji. Jeśli nie można tego zagwarantować lub jeśli obsługa tych materiałów jest zbyt skomplikowana, zwykle stosuje się folie.
Pozwala to na kompensację szczelin powietrznych do 5 milimetrów. Jednak odporność termiczna tych TIM jest wyższa ze względu na ich większą wytrzymałość.
Obszary zastosowań materiałów interfejsu termicznego
Różnorodność materiałów interfejsów termicznych wytwarzanych w różnych procesach wskazuje na zmianę najlepszych praktyk projektowych. Zmiana ta jest również korzystna dla często pożądanej miniaturyzacji komponentów.
Większa gęstość podzespołów zmniejsza objętość powietrza dostępnego do chłodzenia, a jednocześnie zapobiega cyrkulacji pozostałego powietrza. Z tego powodu konstrukcja bez wentylatora jest obecnie preferowana w systemach, w których wentylatory były pierwotnie używane do wymuszonej wentylacji.
TIM's w codziennym życiu
Optymalizacja i zastosowania przemysłowe Rozsiewacze ciepła
Tester TIM może być używany do pomiaru rozpraszaczy ciepła, które są materiałami równomiernie rozprowadzającymi ciepło po powierzchni. Tester TIM działa poprzez wywieranie nacisku na próbkę umieszczoną pomiędzy gorącym i zimnym prętem pomiarowym.
Czujniki temperatury służą do pomiaru przepływu ciepła przez próbkę. Impedancję termiczną można określić poprzez obliczenie spadku temperatury spowodowanego przez materiał próbki w oparciu o jej geometrię. Grubość próbki można wprowadzić ręcznie lub zmierzyć za pomocą zintegrowanego LVDT.
Precyzyjne pomiary są podstawą zoptymalizowanego zarządzania temperaturą
Ze względu na niezliczone możliwe obszary zastosowań i ogromną różnorodność materiałów, materiały przewodzące ciepło stanowią poważne wyzwanie dla badań materiałowych. Zarządzanie ciepłem w dziedzinie elektroniki jest niezwykle złożone i wymaga dokładnej znajomości właściwości materiałowych stosowanych materiałów TIM.
Oprócz pomiaru rozpraszaczy ciepła, tester TIM może być również używany do testowania innych materiałów interfejsu termicznego, takich jak płyny termiczne, pasty termiczne (smary), materiały zmiennofazowe (PCM), lutowie lub wytrzymałe przewodniki termiczne. Podsumowując, tester TIM jest wszechstronnym i niezbędnym narzędziem do pomiaru właściwości termicznych rozpraszaczy ciepła i innych materiałów interfejsu termicznego stosowanych w urządzeniach elektronicznych, które wymagają rozpraszania/osłaniania ciepła.
Optymalizacja konstrukcji rozpraszaczy ciepła w przemyśle elektronicznym, lotniczym i kosmicznym oraz w innych branżach, w których efektywne zarządzanie ciepłem ma kluczowe znaczenie, jest możliwa dzięki tym metodom badawczo-rozwojowym. Przewodność cieplna może być dokładnie mierzona przez producentów w celu poprawy możliwości rozpraszania ciepła, zwiększenia wydajności produktu i zapewnienia niezawodności w różnych zastosowaniach.
Dzięki tej wiedzy możliwe jest udoskonalenie współpracy komponentów i materiałów interfejsu oraz opracowanie optymalnego zarządzania temperaturą dla złożonych aplikacji elektronicznych.
