משחות מוליכות תרמית, דבקים, תרכובות וממשקים תרמיים מבודדים - מטרה ויישום

כדי לשפר את איכות העברת החום ממשטח שצריך לקרר ביעילות למכשיר שנועד לשחזר את החום הזה, משתמשים בממשקים תרמיים כביכול.

ממשק תרמי הוא שכבה, בדרך כלל של תרכובת מוליכה תרמית רב-רכיבית, בדרך כלל משחה או תרכובת.

הממשקים התרמיים הפופולריים ביותר כיום הם אלו המשמשים עבור רכיבים מיקרואלקטרוניים במחשבים: עבור מעבדים, עבור שבבי כרטיסי מסך וכו'. ממשקים תרמיים נמצאים בשימוש נרחב באלקטרוניקה אחרת, כאשר גם מעגלי החשמל חווים חימום גבוה ולכן זקוקים לקירור יעיל ואיכותי... ממשקים תרמיים ישימים גם בכל סוגי מערכות אספקת החום.

בדרך זו או אחרת, תרכובות מוליכות תרמית שונות משמשות לייצור של אלקטרוניקת כוח, רדיו אלקטרוניקה, ציוד מחשוב ומדידה, במכשירים עם חיישני טמפרטורה וכו', כלומר, היכן שיש בדרך כלל רכיבים המחוממים על ידי זרם ההפעלה או בדרך אחרת. עם פיזור חום גדול. כיום ישנם ממשקים תרמיים של הצורות הבאות: הדבק, דבק, תרכובת, מתכת, אטם.

משחת העברת חום

משחה תרמית או פשוט משחה תרמית היא צורה נפוצה מאוד של ממשק תרמי מודרני. זוהי תערובת פלסטיק רב רכיבים עם מוליכות תרמית טובה. משחות תרמיות משמשות להפחתת ההתנגדות התרמית בין שני משטחי מגע, למשל בין שבב לגוף קירור.

הודות למשחה המוליכה תרמית, האוויר עם המוליכות התרמית הנמוכה שלו בין הרדיאטור למשטח המקורר מוחלף במשחה בעלת מוליכות תרמית גבוהה משמעותית.

המשחות הנפוצות ביותר מתוצרת רוסיה הן KPT-8 ו-AlSil-3. גם משחות זלמן, Cooler Master ו-Steel Frost פופולריות.

הדרישות העיקריות למשחה המוליכה תרמית הן שיש לה את ההתנגדות התרמית הנמוכה ביותר האפשרית, שתשמור על תכונותיה ביציבות לאורך זמן ולאורך כל טווח טמפרטורות העבודה, שתהיה קלה למריחה ולשטיפה, ובמקרים מסוימים. שימושי שיש מתאימים תכונות בידוד חשמלי.

ייצור משחות מוליכות תרמית קשור לשימוש ברכיבים המוליכים תרמית הטובים ביותר וחומרי מילוי בעלי מוליכות תרמית גבוהה מספיק.

אבקות ותערובות מפוזרות וננו מפוזרות על בסיס טונגסטן, נחושת, כסף, יהלום, אבץ ואלומיניום תחמוצת, אלומיניום ובורון ניטריד, גרפיט, גרפן וכו'.

הקלסר בהרכב הדבק יכול להיות שמן מינרלי או סינטטי, תערובות שונות ונוזלים בעלי תנודות נמוכה. יש משחות תרמיות שהקלסר שלהן מפולמר באוויר.

קורה שכדי להגביר את הצפיפות של הדבק, מוסיפים להרכבה רכיבים המאודים בקלות כך שכאשר מיישמים את הדבק נוזל ואז הופך לממשק תרמי בעל צפיפות גבוהה ומוליכות תרמית. להרכבי מוליכות תרמית מסוג זה יש את התכונה האופיינית להגיע למוליכות תרמית מקסימלית לאחר 5 עד 100 שעות של פעולה רגילה.

יש משחות על בסיס מתכת שהן נוזליות בטמפרטורת החדר. משחות כאלה מורכבות מגאליום ואינדיום טהורים, כמו גם סגסוגות המבוססות עליהם.

המשחות הטובות והיקרות ביותר עשויות מכסף. משחות על בסיס תחמוצת אלומיניום נחשבות לאופטימליות. כסף ואלומיניום נותנים את ההתנגדות התרמית הנמוכה ביותר של המוצר הסופי. משחות על בסיס קרמיקה זולות יותר, אך גם פחות יעילות.

ניתן להכין את המשחה התרמית הפשוטה ביותר על ידי ערבוב אבקת העופרת של עיפרון גרפיט רגיל משופשף על נייר זכוכית עם כמה טיפות של שמן סיכה מינרלי.

כפי שצוין לעיל, שימוש נפוץ במשחה תרמית הוא כממשקים תרמיים במכשירים אלקטרוניים במידת הצורך ומיושמים בין אלמנט מחולל חום למבנה מפזר חום, למשל בין מעבד למקרר.

הדבר העיקרי שיש לשים לב בעת שימוש במשחה מוליך תרמית הוא לשמור על עובי השכבה למינימום. כדי להשיג זאת, יש צורך לעקוב בקפדנות אחר ההמלצות של יצרן הדבק.

מעט משחה נמרחת על אזור המגע התרמי של שני החלקים ואז פשוט מתפוררת תוך כדי לחיצה של שני המשטחים זה לזה. לפיכך, המשחה תמלא את הבורות הקטנים ביותר על המשטחים ותתרום ליצירת סביבה הומוגנית להפצה והעברת חום החוצה.

גריז תרמי טוב לקירור מכלולים ורכיבי אלקטרוניקה שונים, ששחרור החום שלהם גבוה מהמותר עבור רכיב מסוים, בהתאם לסוג ולמאפיינים של מקרה מסוים. מיקרו-מעגלים וטרנזיסטורים של מיתוג ספקי כוח, סורקים ליניאריים של התקני מנורות תמונה, שלבי הספק של מגברים אקוסטיים וכו'. הם מקומות נפוצים לשימוש במשחה תרמית.

דבק להעברת חום

כאשר השימוש במשחה מוליכת חום בלתי אפשרי מסיבה כלשהי, למשל, בגלל חוסר היכולת ללחוץ בחוזקה את הרכיבים זה לזה עם מחברים, הם פונים לשימוש בדבק מוליך חום. גוף הקירור פשוט מודבק על הטרנזיסטור, המעבד, השבב וכו'.

החיבור מתברר כבלתי נפרד ולכן הוא מצריך התייחסות מדויקת ביותר ועמידה בטכנולוגיה להדבקה נכונה ואיכותית. אם הטכנולוגיה מופרת, עובי הממשק התרמי עשוי להתברר כגדול מאוד והמוליכות התרמית של המפרק תתדרדר.

תערובות עציצים מוליכות תרמית

כאשר, בנוסף למוליכות תרמית גבוהה, נדרשות הרמטיות, חוזק חשמלי ומכני, המודולים המקוררים פשוט ממולאים בתערובת הניתנת לפולימר, שנועדה להעביר חום מהרכיב המחומם לבית המכשיר.

אם המודול המקורר חייב לפזר הרבה חום, אזי התרכובת חייבת להיות בעלת עמידות מספקת לחימום, מחזוריות תרמית, ולהיות מסוגלת לעמוד בלחץ התרמי הנובע משיפוע הטמפרטורה בתוך המודול.

מתכות נמסות נמוכה

ממשקים תרמיים צוברים יותר ויותר פופולריות על בסיס הלחמת שני משטחים עם מתכת נמסה נמוכה. אם הטכנולוגיה מיושמת נכון, ניתן להשיג מוליכות תרמית נמוכה שיא, אך השיטה מורכבת ונושאת מגבלות רבות.

קודם כל, יש צורך להכין באופן איכותי את משטחי ההזדווגות להתקנה, בהתאם לחומר שלהם, זו יכולה להיות משימה קשה.

בתעשיות ההייטק ניתן להלחים כל מתכת, למרות שחלקן דורשות הכנה מיוחדת של פני השטח. בחיי היומיום, רק מתכות המתאימות לפח יתלכדו בצורה איכותית: נחושת, כסף, זהב וכו'.

קרמיקה, אלומיניום ופולימרים אינם מתאימים לפח כלל, איתם המצב יותר מסובך, כאן לא ניתן יהיה להגיע לבידוד גלווני של החלקים.

לפני תחילת ההלחמה, יש לנקות את המשטחים העתידיים לחיבור מכל לכלוך. חשוב לעשות את זה ביעילות, לנקות אותו משאריות של קורוזיה, כי בטמפרטורות נמוכות שטפים בדרך כלל לא יעזרו.

הניקוי נעשה בדרך כלל באופן מכני באמצעות אלכוהול, אתר או אצטון. לשם כך יש לפעמים מטלית קשה ומגבון אלכוהול בחבילת הממשק התרמי.העבודה חייבת להיעשות עם כפפות, שכן השומן שניתן לקבל מהידיים בהחלט ידרדר את איכות ההלחמה.

ההלחמה עצמה חייבת להיעשות עם חימום ועמידה בחוזק שצוין על ידי היצרן. חלק מהממשקים התרמיים התעשייתיים דורשים חימום מוקדם חובה של החלקים המחוברים ל-60-90 מעלות צלזיוס וזה עלול להיות מסוכן עבור חלק מהרכיבים האלקטרוניים הרגישים. חימום ראשוני נעשה בדרך כלל עם מייבש שיער, ולאחר מכן הלחמה הושלמה על ידי חימום עצמי של המכשיר הפועל.

ממשקים תרמיים מסוג זה נמכרים בצורה של נייר כסף עם נקודת התכה מעט מעל טמפרטורת החדר, וכן בצורה של משחות. לדוגמה, סגסוגת Fields בצורת נייר כסף יש נקודת התכה של 50 מעלות צלזיוס. Galinstan בצורה של עיסה נמס בטמפרטורת החדר. שלא כמו נייר כסף, משחות קשות יותר לשימוש מכיוון שהן צריכות להיות מוטמעות היטב במשטחים להלחמה, בעוד שרדיד כסף דורש רק חימום נכון במהלך ההרכבה.

אטמי בידוד

באלקטרוניקה כוח, לעתים קרובות נדרש בידוד חשמלי בין העברת חום ואלמנטים של גוף קירור. לכן, כאשר משחה מוליכה תרמית אינה מתאימה, משתמשים במצעי סיליקון, נציץ או קרמיקה.

רפידות רכות גמישות עשויות מסיליקון, רפידות קשות עשויות מקרמיקה. ישנם מעגלים מודפסים המבוססים על יריעת נחושת או אלומיניום המכוסה בשכבה דקה של קרמיקה, שעליה מורחים עקבות של רדיד נחושת.

בדרך כלל מדובר בלוחות חד צדדיים, בצד אחד של המסילה, ומצד שני יש משטח להצמדה לרדיאטור.

בנוסף, במקרים מיוחדים מיוצרים רכיבי חשמל שבהם חלק המתכת של הבית, המחובר לרדיאטור, מכוסה מיד בשכבת אפוקסי.

תכונות השימוש בממשקים תרמיים

בעת יישום והסרה של הממשק התרמי, יש צורך לעקוב בקפדנות אחר המלצות היצרן שלו, כמו גם היצרן של המכשיר המקורר (הקירור). חשוב להקפיד במיוחד בעבודה עם ממשקים תרמיים מוליכים חשמלית, שכן עודף שלו עלול להיכנס למעגלים אחרים ולגרום לקצר חשמלי.