Как выбрать и применять термоинтерфейсные материалы для электроники?
Прямой ответ: вы выбираете материал термоинтерфейса (TIM) на основе требуемого теплового импеданса, толщины зазора между поверхностями, рабочего диапазона температур и давления, прикладываемого при сборке, при этом способ нанесения определяется формой материала (паста, прокладка или материал с фазовым переходом) и необходимостью обеспечения минимальной толщины клеевого шва (BLT) от 25 до 100 микрометров. Для большинства теплоотводов, обработанных на станках с ЧПУ, и штампованных металлических компонентов силиконовая термопаста с теплопроводностью от 3 до 6 Вт/м·К, нанесенная слоем толщиной 50 микрометров, обеспечивает наилучшее соотношение цены и производительности. В условиях повышенной вибрации или при необходимости повторного ремонта предпочтительным выбором является материал с фазовым переходом или термопроводящая прокладка, несмотря на их несколько более высокое тепловое сопротивление.
В чем разница между термопастой, прокладками и материалами с фазовым переходом?
Термопаста — это вязкий силиконовый или углеводородный состав, наполненный частицами керамики, нитрида бора или оксидов металлов, предназначенный для заполнения микроскопических воздушных зазоров между процессором или силовым модулем и теплоотводом. Для достижения толщины клеевого шва (BLT) от 25 до 75 микрометров требуется прижимное давление от 10 до 30 фунтов на квадратный дюйм (psi), и это самый экономичный вариант — примерно от 0,02 до 0,05 доллара США за грамм при оптовых закупках. Термопрокладки — это предварительно сформированные листы из силикона или акрила толщиной от 0,5 до 5,0 мм, обеспечивающие теплопроводность от 1,5 до 12 Вт/м·К; они лучше всего подходят для неровных поверхностей и не требуют отверждения, но их тепловой импеданс в 3–5 раз выше, чем у пасты. Материалы с фазовым переходом (PCM) твердые при комнатной температуре и плавятся при температуре от 45 до 60 градусов Цельсия, растекаясь в микроскопические зазоры при первом включении; они достигают BLT от 25 до 50 микрометров и обеспечивают характеристики, близкие к пасте, сохраняя при этом удобство обращения, как у прокладки.
Как рассчитать требуемый тепловой импеданс и контактное давление?
Основное уравнение: Тепловой импеданс (Rth) = BLT / (Теплопроводность × Площадь), измеряется в единицах К·см²/Вт или °C·см²/Вт. Для силового устройства размером 20 мм × 20 мм, рассеивающего 50 Вт, с максимальной температурой перехода 105 °C и температурой окружающей среды 25 °C, общее сопротивление системы должно быть ниже 1,6 °C/Вт, что означает, что сам TIM должен вносить не более 0,3–0,5 °C·см²/Вт. Контактное давление должно быть достаточно высоким, чтобы сжать TIM до его номинальной BLT; для пасты это обычно 10–30 psi (0,07–0,21 МПа), а для прокладок — 40–100 psi (0,28–0,69 МПа) для достижения указанного производителем коэффициента сжатия от 20 до 40 процентов.
Какое значение теплопроводности наиболее важно для вашего применения?
Объемная теплопроводность (Вт/м·К) — это наиболее рекламируемый показатель, но эффективный тепловой импеданс (К·см²/Вт) важнее, поскольку он учитывает BLT и контактное сопротивление. Паста с теплопроводностью 6 Вт/м·К, нанесенная с BLT 25 микрометров, дает импеданс приблизительно 0,04 К·см²/Вт, в то время как прокладка с теплопроводностью 5 Вт/м·К и толщиной 1,0 мм дает 0,20 К·см²/Вт, что в пять раз хуже, несмотря на аналогичную теплопроводность. Для мощных IGBT-модулей или лазерных диодов выбирайте TIM с теплопроводностью выше 5 Вт/м·К и BLT ниже 50 микрометров; для маломощной бытовой электроники достаточно прокладки с теплопроводностью 1,5–3 Вт/м·К, что снижает стоимость на 40 процентов.
Как шероховатость и плоскостность поверхности влияют на характеристики TIM?
Шероховатость поверхности алюминиевых теплоотводов, обработанных на станках с ЧПУ, обычно составляет Ra 0,8–1,6 микрометра, в то время как штампованные стальные детали могут достигать Ra 1,6–3,2 микрометра, и эти пики и впадины определяют объем воздуха, захваченного на границе раздела. Воздух имеет теплопроводность 0,026 Вт/м·К, поэтому любой зазор толще 10 микрометров действует как изолятор; TIM должен полностью заполнять эти зазоры, что требует материала с низкой вязкостью или высокой сжимаемостью. Для сопрягаемых поверхностей с отклонением плоскостности более 0,05 мм на 25 мм рекомендуется прокладка толщиной более 1,0 мм, поскольку паста будет выдавливаться на высоких точках и оставлять пустоты в низких, тогда как прокладка подстраивается без выдавливания.
Когда следует использовать отверждаемый жидкий заполнитель зазоров вместо пасты или прокладок?
Используйте жидкий заполнитель зазоров (силиконовый или акриловый, наносимый в виде валика и отверждаемый при температуре 100–150 °C), когда зазор между компонентами варьируется от 0,2 до 2,0 мм, например, между силовым каскадом, установленным на печатной плате, и большим литым теплоотводом. Заполнители зазоров обеспечивают теплопроводность от 2 до 8 Вт/м·К и создают механическое соединение, устраняя необходимость в отдельных клипсах или винтах, что сокращает время сборки на 15–30 процентов. Они не рекомендуются для обслуживаемых соединений, поскольку их отвержденное состояние затрудняет разборку, требуя растворителя или механического поддевания, которое может повредить компонент.
Как следует наносить термопасту, чтобы избежать захвата воздуха и выдавливания?
Нанесите пасту в виде X-образного узора или одной центральной точки, покрывающей 70–80 процентов площади кристалла, используя трафарет или автоматический дозатор для контроля объема; для кристалла размером 25 мм × 25 мм это составляет 0,3–0,5 миллилитра пасты. Теплоотвод следует опускать горизонтальным движением с легким вращательным поворотом на 5–10 градусов, чтобы сдвинуть пасту и удалить захваченный воздух, затем равномерно затягивать винты перекрестным образом с моментом 0,4–0,6 Н·м для винтов M3. Чтобы предотвратить выдавливание из-за тепловых циклов, выбирайте пасту с вязкостью 100–300 Па·с и низкой степенью маслоотделения ниже 1 процента, либо переходите на PCM, который затвердевает при температуре ниже 45 °C.
Каковы реальные допуски и стоимость для распространенных типов TIM?
| Тип TIM | Теплопроводность (Вт/м·К) | Толщина клеевого шва (микрометры) | Тепловой импеданс (К·см²/Вт) | Рабочий диапазон температур (°C) | Оптовая стоимость за см² | Способ нанесения |
| Термопаста (силиконовая) | 3,0–6,0 | 25–75 | 0,04–0,15 | от -40 до 200 | 0,01–0,03 долл. США | Трафаретная печать, шприц |
| Термопрокладка (силиконовая) | 1,5–12,0 | 500–3000 | 0,20–0,80 | от -60 до 200 | 0,05–0,20 долл. США | Вырубка, ручная установка |
| Материал с фазовым переходом | 3,0–8,0 | 25–50 | 0,05–0,20 | от -40 до 125 | 0,08–0,25 долл. США | Вырубка, предварительное крепление |
| Жидкий заполнитель зазоров (отверждаемый) | 2,0–8,0 | 200–2000 | 0,10–0,50 | от -50 до 150 | 0,10–0,30 долл. США | Автоматическое дозирование |
| Графитовый лист | 10–25 | 25–100 | 0,03–0,10 | от -240 до 400 | 0,20–0,50 долл. США | Вырубка, крепление клипсами |
Приведенные выше данные отражают типичные значения для коммерческих TIM, используемых с алюминиевыми или медными теплоотводами, обработанными на станках с ЧПУ. Графитовые листы обеспечивают превосходную теплопроводность, но требуют прижимного давления выше 100 psi для достижения низкого импеданса, что делает их подходящими для высокопроизводительных серверов и автомобильных инверторов.
Как проверить нанесение TIM в производственных условиях?
Проведите тепловое испытание с использованием термопары или инфракрасной камеры на поверхности кристалла, измеряя повышение температуры при 50-процентной и 100-процентной нагрузке, и сравните с расчетной температурой перехода из модели теплового сопротивления. Для контроля качества партии используйте динамометрический ключ для проверки равномерности прижимного давления и измеряйте BLT с помощью рентгеновского контроля или разборки образца после тепловых циклов для проверки на наличие пустот. Критерий приемки в производстве — максимальное отклонение температуры между устройствами при полной нагрузке не более 5 °C; если отклонение превышает это значение, пересмотрите объем пасты, плоскостность поверхности и момент затяжки.
Часто задаваемые вопросы
Каков срок хранения термопасты и прокладок?
Термопаста обычно имеет срок хранения от 12 до 24 месяцев при хранении при температуре 20–25 °C в закрытой таре, в то время как прокладки и PCM сохраняются от 24 до 36 месяцев в тех же условиях. После вскрытия пасту следует использовать в течение 6 месяцев, чтобы предотвратить разделение наполнителей и испарение растворителя. Всегда проверяйте срок годности производителя и используйте свежую пасту из новой картриджа для ответственных применений.
Можно ли повторно использовать термопрокладку после разборки?
Нет, термопрокладку нельзя использовать повторно, поскольку она необратимо сжимается и теряет свою способность к подстройке, что приводит к воздушным зазорам и увеличению теплового сопротивления на 20–50 процентов. Материалы с фазовым переходом также выходят из строя при повторном использовании, поскольку они уже растекались по исходному профилю поверхности. Заменяйте TIM на новый всякий раз, когда теплоотвод снимается.
Какова максимальная рабочая температура для силиконовых TIM?
Силиконовые термопасты и прокладки могут непрерывно работать при температуре до 200 °C, в то время как PCM ограничены 125 °C, а графитовые листы — до 400 °C в инертной атмосфере. При температуре выше 150 °C силикон может начать выделять летучие масла, которые могут загрязнить оптику или электрические контакты. Для применений с температурой выше 150 °C выбирайте графитовую пасту или пасту с керамическим наполнителем, имеющую сертификацию на низкое газовыделение.
Как тепловые циклы влияют на долговечность TIM?
Тепловые циклы от 25 до 85 °C вызывают дифференциальное расширение между кремниевым кристаллом (2,6 ppm/°C), медным теплоотводом (17 ppm/°C) и алюминием (23 ppm/°C), что может сдвигать TIM и вызывать выдавливание. Высоковязкая паста или PCM с низким модулем упругости выдержат от 1000 до 2000 циклов без значительной деградации. Рекомендуется проводить испытания в соответствии со стандартом JEDEC JESD22-A104 для квалификации TIM для вашего конкретного применения.
Какой TIM лучше всего подходит для сред с вибрацией, таких как автомобильная или аэрокосмическая промышленность?
Для сред с постоянной вибрацией используйте отверждаемый жидкий заполнитель зазоров или толстую термопрокладку с твердостью по Шору A ниже 30, поскольку они обеспечивают механическое демпфирование и не мигрируют из соединения. Пасты и PCM не рекомендуются, поскольку вибрация может со временем вызвать их выдавливание, увеличивая тепловое сопротивление. Заполнитель зазоров с теплопроводностью 5 Вт/м·К и отвержденной толщиной 1,0 мм является проверенным решением для блоков управления двигателем и систем управления батареями.
Нужна ли грунтовка или обработка поверхности перед нанесением TIM?
Грунтовка не требуется для силиконовых TIM на чистых алюминиевых или медных поверхностях, но поверхности должны быть обезжирены изопропиловым спиртом и высушены для удаления масел и частиц. Для графитовых листов тонкий слой термопасты (0,05 мм) с обеих сторон может снизить контактное сопротивление на 20 процентов. Анодированные алюминиевые поверхности толщиной более 25 микрометров имеют более низкую тепловую излучательную способность и могут требовать более высокого прижимного давления для достижения того же импеданса.
Как выбрать правильную толщину TIM для штампованного металлического теплоотвода?
Для штампованных стальных или алюминиевых теплоотводов с типичной плоскостностью 0,1–0,3 мм выбирайте термопрокладку толщиной 1,0–2,0 мм, чтобы компенсировать коробление. Более тонкая прокладка (0,5 мм) не заполнит зазоры полностью, что приведет к появлению горячих точек. При использовании пасты прижимное давление должно быть достаточно высоким для пластической деформации штампованной поверхности, что непрактично; поэтому прокладки являются стандартным выбором для штампованных деталей.
Заключение
Выбор правильного материала термоинтерфейса требует баланса между теплопроводностью, толщиной клеевого шва, прижимным давлением и стоимостью, при этом реальные характеристики определяются эффективным импедансом, а не только номиналом в Вт/м·К. Для теплоотводов, обработанных на станках с ЧПУ, с плоскими поверхностями силиконовая паста с BLT 50 микрометров обеспечивает наименьшую стоимость и лучшие характеристики; для штампованных деталей прокладка толщиной 1,0 мм является прагматичным выбором. Всегда проверяйте свой выбор тепловыми испытаниями в ваших конкретных условиях нагрузки и окружающей среды.
Для бесплатной инженерной консультации по выбору TIM для вашего теплоотвода, обработанного на станке с ЧПУ, или штампованного металлического узла, свяжитесь с BQUQ для получения предложения в течение 12 часов. Напишите нам на sc@bquq.com, свяжитесь с нами в WhatsApp по номеру +86 13713157787 или посетите www.bquq.com.
