İçindekiler
Isı dağıtıcıların tanıtımı ve temelleri
Isı yayıcıların sınıflandırılması ve uygulamaları
Isı yayıcılar aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:
- Metalik ısı dağıtıcı
- Faz değişim cihazları
- Termal transfer bağlantıları
- Isı boruları
- Fan
- Konut
Bilgisayar işlemcileri, mobil cihazlar ve otomotiv elektroniği de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılırlar.
Yüksek termal iletkenlik, düşük termal direnç, geniş yüzey alanı, ısı yayma tasarımı ve termal arayüz malzemeleri (TIM), Şekil 1’de gösterildiği gibi ısı dağıtıcıların özelliklerinden bazılarıdır.
Isı dağıtıcılar, bileşenlerin hasar görmesini önleme, performansı artırma ve elektronik bileşenlerden ısıyı dağıtma yeteneğine sahiptir. Çeşitli uygulamalardaki elektronik cihazlar, termal sorunların üstesinden gelmek ve performanslarını ve kullanım ömürlerini artırmak için ısı dağıtıcıların kullanımından faydalanabilir.
Isı dağıtıcıları genellikle aşağıdaki amaçlar için kullanılır:
- Mikroişlemciler gibi entegre bileşenlere sahip hava soğutma devreleri.
- Yüksek performanslı entegre devreler ve lazer diyotlar için alt tabakalar
- Konsantre fotovoltaik sistemlerde fotovoltaik hücrelerin soğutulması
- Yüksek güçlü radyo frekans cihazları gibi havacılık ve uzay ekipmanları ve uydu cihazları
- LED aydınlatma sistemleri
- Bilgisayarlarda ve sunucularda yüksek performanslı CPU’lar ve GPU’lar
- Yüksek güçlü lazer diyotları ve lazer optikleri
- Güç elektroniği bileşenleri
- Elektrikli araçlar batarya sistemi sıcaklığını yönetmelidir.
Bu uygulamalar, optimum ekipman performansı ve güvenilirliği için etkili ısı dağılımının gerekli olduğu çeşitli endüstrilerde ısı dağıtıcılarının çok yönlülüğünü ve önemini göstermektedir.
Isı yayıcılar için ölçüm yöntemleri ve ekipmanları
TIM’lerin termal ölçüm yöntemleri genel olarak durağan ve durağan olmayan (geçici) yöntemler olarak ikiye ayrılabilir.
Termal iletkenlik, durağan olmayan ölçümler olan lazer flaş yöntemi ve sıcak tel yöntemi kullanılarak ölçülebilir ve zaman alanı termoreflektans yöntemi (TDTR) gelişmiş bir TIMs durağan ölçümüdür.
Sürekli ve geçici yöntemler veya darbeli lazer ısıtıcılar, seramiklerdeki termal iletkenler de dahil olmak üzere malzemelerin termal iletkenliğini belirlemek için kullanılan gelişmiş tekniklerdir.
Bu yöntemler ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
LFA (Işık/Lazer Flaş Analizörü), TFA (İnce Film Analizörü), TF-LFA (İnce Film Lazer Flaş Analizörü), Periyodik Lazer Isıtma ve TIM test cihazı ısı iletkenleri de dahil olmak üzere malzemelerin termal özelliklerini karakterize etmek için kullanılan tüm ölçüm cihazlarıdır.
Bu cihazlar, elektronik cihazlarda ve diğer uygulamalarda ısı transferini ve termal yönetimi anlamak için kritik öneme sahip olan çeşitli malzemelerin termal difüzivitesini ve iletkenliğini ölçmek için tasarlanmıştır.
1. LFA (Işık/Lazer Flaş Analizörü):
LFA (düzlem içi) yöntemi, Şekil 2’de gösterildiği gibi, düz paralel bir numunenin bir tarafının kısa bir enerji darbesiyle (lazer veya ışık) ısıtılması ve karşı taraftaki sıcaklık artışının bir kızılötesi dedektörle ölçülmesi prensibine dayanmaktadır.
Termal difüzivite, zamana bağlı sıcaklık artışından hesaplanır ve termal iletkenlik, termal difüzivite, özgül ısı kapasitesi ve kütle yoğunluğu kullanılarak formül ile belirlenir. Numunenin termal iletkenliğini hesaplamak için termal difüzivite, özgül ısı kapasitesi (Cp) ve kütle yoğunluğu (ρ) kullanılır.
Burada λ termal iletkenlik, α termal difüzivite, ρ kütle yoğunluğu ve Cp özgül ısı kapasitesidir.
LFA çeşitli malzemeler için kullanılabilir ve ASTM E1461, DIN EN 821, DIN 30905, ISO 8301, BS EN 1159-2, ASTM C714, ASTM C518 ve daha fazlası gibi ulusal ve uluslararası standartlara dayanmaktadır.
2. TFA (ince film analizörü):
3. TF-LFA (ince film lazer flaş analizörü):
PLH (Periyodik Lazer Isıtma):
Periyodik Lazer Isıtma, malzemeleri hızlı (düzlem içi) ve seçici bir şekilde ısıtmak için yüksek enerjili, kısa süreli lazer darbeleri kullanır.
İşlem, numunenin yüzeyine bir lazer darbesi yönlendirmeyi ve darbe noktasında yüksek bir enerji yoğunluğu oluşturmayı içerir.
Bu enerji malzeme tarafından emilir ve soğumadan önce belirli bir süre boyunca yüzey katmanının yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde hızla ısınmasına yol açar.
Malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri, darbeli lazerin neden olduğu hızlı ve yoğun ısıtma ile değiştirilir. Bu işlem sırasında kristal kafeste atomik göç gerçekleşir, bu da dislokasyonların sayısını azaltır ve malzemenin sertliğini ve sünekliğini değiştirir.
Malzeme hızlı su söndürme veya yavaş hava soğutması ile yeniden kristalleşir ve ısıtma ve soğutma oranları kristal faz bileşimini ve tane boyutunu etkiler, bu da sonuçta malzemenin özelliklerini belirler.
PLH, termal iletken uygulamaları da dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır. Bu sistemler, belirli malzeme modifikasyonları ve yüzey işlemleri elde etmek için darbeli lazer ısıtmayı içerir.
Darbeli lazerlerin kullanımı, ısıtma işlemi üzerinde hassas kontrol sağlayarak yarı iletkenlerin seçici olarak yeniden kristalleştirilmesi, metallerin kaynaklanması, takım çeliklerinin sertleştirilmesi ve optik veri depolama ortamındaki faz değişiklikleri gibi uygulamalara olanak tanır.
Bu nedenle PLH, termal iletken uygulamaları da dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için hassas ve kontrollü ısıtma sağlayarak çeşitli endüstriyel ve araştırma alanlarında çok önemli bir rol oynamaktadır. Buna ek olarak, zaman çözümlü çalışmalar gerçekleştirme ve bunları çeşitli spektroskopik tekniklerle birleştirme yeteneği, yüksek sıcaklık koşulları altında malzeme davranışının daha iyi anlaşılmasını sağlar ve bu da çeşitli uygulamalarda termal iletkenlerin performansının optimize edilmesine yardımcı olabilir.
Bu teknikler birlikte, termal iletken uygulamaları için darbeli lazer ısıtma sırasında sıcaklık dağılımı üzerinde hassas kontrol sağlayarak, işlenen malzemelerin bütünlüğünü korurken verimli ve kontrollü ısıtma süreçleri sağlar.
Dolgu maddelerinin ısı yayıcıların termal iletkenliği üzerindeki etkisi
Bir ısı dağıtıcının termal direnci, kullanılan dolgu maddesinden büyük ölçüde etkilenebilir.
Bir ısı dağıtıcının termal iletkenliği , ısıyı dağıtmadaki etkinliği için çok önemli olan temel malzemesine dolgu maddeleri eklenerek geliştirilebilir.
Isı dağıtıcının ısıl iletkenliği, ısıl kararlılığı ve mekanik özellikleri dolgu malzemesi seçiminden etkilenir.
- Elmas, 2000 W/m-K termal iletkenliği ile termal iletkenliği arttırmak için en etkili dolgu maddelerinden biridir. Yüksek iletkenlik özellikleri sayesinde ısı dağıtıcının termal iletkenliği önemli ölçüde iyileştirilebilir.
- Bor nitrür (BN), trombosit benzeri morfolojisi ile parçacık-parçacık etkileşimlerini kolaylaştırır ve termal iletkenliği artırır. Bor nitrür içeren bir kompozit malzeme, hacimce yüzde 15’lik bir yüklemede elmas dolgulu bir kompozit malzemeye kıyasla termal iletkenliği neredeyse beş kat artırabilir.
- Alüminyum oksit, 30 W/m-K’lik bir artışla termal iletkenliği biraz artırabilir. Elmas veya bor nitrürden daha az verimli olmasına rağmen, yine de ısı dağıtıcının termal iletkenliğini artırabilir.
- Silikon dioksit, termal iletkenliği iyileştirmedeki düşük etkinliği nedeniyle termal iletkenliği artırmak yerine termal genleşme katsayısını azaltmak için sıklıkla kullanılır.
- Silikon dolgu maddeleri, TIM üzerinden ısı yayılımını ve transferini iyileştirmek için genellikle termal arayüz malzemelerinde (TIM) kullanılır.
Termal Arayüz Malzemeleri (TIM'ler): Türler ve uygulamalar
Termal Arayüz Malzeme Test Cihazı veya TIM test cihazı, örnek malzemelerin termal empedansını ölçen ve görünür termal iletkenliklerini (düzlem içi ve çapraz düzlem) belirleyen bir cihazdır.
Sadece 0,0263 W/MK termal iletkenliğe sahip termal arayüz malzemeleri havayı en kötü ısı iletkenlerinden biri haline getirir. Bu nedenle ısı birikimini önlemek için bileşenler arasında hava ceplerinden kaçınılmalıdır.
Burada TIM’ler eşitsizlik, toleranslar veya pürüzlülükten kaynaklanan boşlukları kapatmaya yardımcı olur ve hava ceplerinin oluşmamasını sağlar. Termal arayüz malzemeleri farklı versiyonlarda mevcuttur, örn:
- Termal iletken macunlar,
- Termal olarak iletken yapıştırıcı,
- Grafit ve alüminyum folyolar,
- Köpük ve JEL filmler,
- Tek ve çift taraflı yapışkan termal iletken filmler,
- faz değişim malzemeleri (PCM’ler),
- Silikon içeren ve silikonsuz elastomerler,
- Kapton ve mika diskler,
- Alüminyum oksit malzemeler
Boşluk doldurucu veya sızdırmazlık bileşeni
Yapıştır
Pedler
Yığın olarak pedler
TIM test cihazı, katılar, macunlar, pedler ve daha fazlası dahil olmak üzere çeşitli numune boyutlarını ve şekillerini kullanabilir. Termal olarak iletken malzemelerin termal direncini ve iletkenliğini ölçen bir standart olan ASTM D5470’e uygun olarak çalışır.
Hangi TIM'ler hangi uygulama için en uygunudur?
Her malzeme elektronikteki tüm uygulamalar için evrensel bir malzeme olarak uygun değildir. Mükemmel TIM’i bulmak için, malzeme araştırmaları alanındaki geliştiriciler, termal direnç, termal iletkenlik, termal empedans, temasın mekanik toleransları, sıcaklık aralığı, çevresel uyumluluk ve diğerleri gibi çeşitli malzeme özelliklerini dikkate almak zorundadır.
Hangi malzemenin en uygun olduğu uygulamaya bağlıdır. Üç ana TIM türü termal olarak iletken filmler, termal olarak iletken macunlar ve termal olarak iletken yapıştırıcılardır. Bunlar, diğer şeylerin yanı sıra kullanımları, katman kalınlıkları, elektrik yalıtımı ve termal iletkenlik açısından farklılık gösterir.
Termal iletken macunlar
Faz değişim malzemeleri
Faz değişim malzemeleri, geleneksel termal iletken macunların daha da geliştirilmiş halidir. Bir tabaka malzemesi olarak bu TIM’ler, ısı emiciye temiz bir şekilde doğrudan monte edilmesini sağlayan sürekli bir tabaka kalınlığına sahiptir. PCM’ler ayrıca faz değişim sıcaklıkları ile de karakterize edilirler.
45 ila 55 °C sıcaklıkta, bu malzemelerin kıvamı katıdan yumuşağa değişir. Sonuç olarak, uygulandıkları bileşenler arasındaki tüm boşluklara akarlar. Sıcaklık tekrar faz değişim sıcaklığının altına düşerse, ilgili ortam temas noktalarıyla bağlantıyı kesmeden orijinal durumuna geri döner.
Yüzey kalitesi ve TIM seçimi
Isı ileten macunların veya yapıştırıcıların kullanılabilmesi için yüzeylerin toleranslar açısından neredeyse ideal olması gerekir. Bu garanti edilemiyorsa veya bu malzemelerin kullanımı çok karmaşıksa, genellikle filmler kullanılır.
Bu, 5 milimetreye kadar hava boşluklarının telafi edilmesini sağlar. Bununla birlikte, bu TIM’lerin termal direnci, daha yüksek mukavemetleri nedeniyle daha yüksektir.
Termal arayüz malzemeleri için uygulama alanları
Farklı süreçlerde üretilen termal arayüz malzemelerinin çeşitliliği, en iyi tasarım uygulamalarında bir değişiklik olduğunu göstermektedir. Bu değişim aynı zamanda bileşenlerin sıklıkla arzu edilen minyatürleştirilmesine de fayda sağlamaktadır.
Daha yüksek bileşen yoğunluğu, soğutma için mevcut hava hacmini azaltır ve aynı zamanda kalan havanın sirkülasyonunu engeller. Bu nedenle, fanların başlangıçta cebri havalandırma için kullanıldığı sistemlerde günümüzde genellikle fansız tasarım tercih edilmektedir.
Günlük yaşamda TIM'ler
Optimizasyon ve endüstriyel uygulamalar Isı dağıtıcılar
TIM test cihazı, ısıyı bir yüzeye eşit olarak yayan malzemeler olan ısı yayıcıları ölçmek için kullanılabilir. TIM test cihazı, sıcak ve soğuk bir ölçüm çubuğu arasına yerleştirilen bir numuneye basınç uygulayarak çalışır.
Sıcaklık sensörleri numuneden geçen ısı akışını ölçmek için kullanılır. Termal empedans, numune malzemesinin geometrisine bağlı olarak neden olduğu sıcaklık düşüşü hesaplanarak belirlenebilir. Numunenin kalınlığı manuel olarak girilebilir veya entegre bir LVDT kullanılarak ölçülebilir.
Optimize edilmiş termal yönetim için yüksek hassasiyetli ölçümler temel oluşturur
Sayısız olası uygulama alanı ve çok çeşitli malzemeler nedeniyle, termal olarak iletken malzemeler malzeme araştırmaları için büyük zorluklar oluşturmaktadır. Elektronik alanında termal yönetim son derece karmaşıktır ve kullanılan TIM’lerin malzeme özellikleri hakkında kesin bilgi gerektirir.
TIM test cihazı, ısı yayıcıları ölçmenin yanı sıra termal sıvılar, termal macunlar (gresler), faz değişim malzemeleri (PCM), lehimler veya sağlam termal iletkenler gibi diğer termal arayüz malzemelerini test etmek için de kullanılabilir. Özetle, TIM test cihazı, ısı yayıcıların ve ısı yayma/koruma gerektiren elektronik cihazlarda kullanılan diğer termal arayüz malzemelerinin termal özelliklerini ölçmek için çok yönlü ve vazgeçilmez bir araçtır.
Elektronik, havacılık ve verimli termal yönetimin gerekli olduğu diğer endüstrilerde ısı dağıtıcı tasarımlarının optimizasyonu, araştırma ve geliştirmedeki bu yöntemlerle mümkün olmaktadır. Termal iletkenlik, ısı yayma kabiliyetlerini geliştirmek, ürün performansını artırmak ve çeşitli uygulamalarda güvenilirliği sağlamak için üreticiler tarafından doğru bir şekilde ölçülebilir.
Bu bilgiyle, bileşenlerin ve arayüz malzemelerinin işbirliğini mükemmelleştirmek ve karmaşık elektronik uygulamalar için optimum termal yönetim geliştirmek mümkündür.
