Из чего состоит термопаста и сколько её нужно наносить?
Термопаста, также известная как термоинтерфейсный материал (TIM), представляет собой теплопроводящий состав, который заполняет микроскопические воздушные зазоры между кристаллом CPU/GPU и его радиатором. Она в основном состоит из полимерной матрицы (силикон, акрил или эпоксидная смола), наполненной керамическими, металлическими или углеродными частицами. Оптимальное количество для нанесения — одна капля размером с горошину (примерно от 0,05 до 0,1 кубического сантиметра), размещенная в центре теплораспределительной крышки (IHS), что обеспечивает толщину клеевого шва после установки от 0,05 до 0,1 миллиметра.
Состав материала и теплопроводность
Базовый материал определяет эксплуатационные свойства пасты, а наполнитель — ее тепловые характеристики. Полимерная матрица (обычно 20–30% по объему) обеспечивает вязкость и предотвращает выдавливание, в то время как теплопроводящий наполнитель (70–80% по объему) обеспечивает путь для передачи тепла.
Распространенные наполнители и их теплопроводность: - Оксид цинка: 25 Вт/м·К (размер частиц 0,5–10 микрометров) - Оксид алюминия: 30 Вт/м·К (размер частиц 1–20 микрометров) - Нитрид бора: 60 Вт/м·К (гексагональная кристаллическая структура) - Серебро: 429 Вт/м·К (хлопья или сферы, 1–5 микрометров) - Алмазный порошок: 900–2000 Вт/м·К (синтетический, 0,5–2 микрометра) - Углеродные нанотрубки: 3000 Вт/м·К (ориентированные, но трудно диспергируемые)
Для справки: теплопроводность воздуха составляет всего 0,026 Вт/м·К. Воздушный зазор 0,05 мм под кристаллом CPU мощностью 100 Вт может вызвать повышение температуры более чем на 20 градусов Цельсия, поэтому паста обязательна. Эффективная теплопроводность конечного состава пасты варьируется от 1,5 Вт/м·К для бюджетных керамических паст до 12,5 Вт/м·К для премиальных жидкометаллических сплавов (эвтектика галлий-индий, температура плавления 15,7 градуса Цельсия).
Вязкость и контроль размера частиц
Вязкость измеряется в сантипуазах (сП). Стандартные силиконовые пасты имеют вязкость от 200 000 до 350 000 сП при 25 градусах Цельсия. Высоковязкие пасты (выше 400 000 сП) устойчивы к выдавливанию в условиях сильной вибрации, но требуют большего усилия прижима. Низковязкие пасты (ниже 150 000 сП) легко распределяются, но могут страдать от «выдавливания» после циклов термонагружения.
Распределение частиц по размерам напрямую влияет на минимальную толщину клеевого шва. Паста с частицами 10 микрометров не может обеспечить шов тоньше 10 микрометров без того, чтобы частицы не перемыкали зазор и не царапали кристалл или радиатор. Прецизионные пасты для охлаждения кристалла напрямую используют частицы размером от 0,5 до 3 микрометров для достижения швов толщиной от 25 до 50 микрометров.
Наша фабрика BQUQ использует трехвалковую мельницу для диспергирования частиц, достигая однородности плюс-минус 2 процента по объему. Мы тестируем каждую партию с помощью лазерного дифракционного анализатора размера частиц (Malvern Mastersizer 3000), чтобы гарантировать, что значения D50 (медианный размер частиц) остаются в пределах 0,5 микрометра от спецификации.
Количество нанесения: правило 0,1 грамма
Правильное количество термопасты зависит от площади IHS и желаемой толщины клеевого шва. Формула:
Объем (кубические миллиметры) = Площадь (квадратные миллиметры) x Толщина шва (миллиметры)
Для стандартного процессора AMD AM5 (площадь IHS 558 квадратных миллиметров) для шва 0,05 мм требуется 27,9 кубических миллиметров пасты. Для Intel LGA1700 (площадь IHS 455 квадратных миллиметров) для такого же шва требуется 22,8 кубических миллиметра.
На практике это соответствует: - Капля размером с горошину: 4–5 миллиметров в диаметре (примерно 30–50 кубических миллиметров) - Линия размером с рисовое зерно: 3–4 миллиметра в длину, 1,5 миллиметра в ширину (примерно 15–25 кубических миллиметров) - X-образный узор: 2 пересекающиеся линии, каждая 5 миллиметров в длину и 2 миллиметра в ширину (примерно 40–60 кубических миллиметров)
Слишком большое количество пасты (более 100 кубических миллиметров) создает гидравлическое давление, которое приподнимает радиатор, увеличивая толщину шва до 0,2 миллиметра и более. Это повышает тепловое сопротивление на 40–60 процентов. Слишком малое количество (менее 10 кубических миллиметров) оставляет воздушные карманы, покрывающие 15–25 процентов площади кристалла, что вызывает локальные перегревы на 5–8 градусов Цельсия выше среднего.
Сравнительные данные производительности
| Тип пасты | Теплопроводность (Вт/м·К) | Вязкость (сП) | Оптимальный шов (мм) | Цена за грамм (USD) | Снижение температуры относительно воздушного зазора (град C) |
| Керамическая (оксид цинка) | 1,5 - 3,0 | 150 000 - 250 000 | 0,08 - 0,12 | 0,50 - 1,50 | 18 - 22 |
| Оксид металла (глинозем) | 3,0 - 5,0 | 200 000 - 300 000 | 0,06 - 0,10 | 1,50 - 3,00 | 22 - 28 |
| Нитрид бора | 5,0 - 8,0 | 250 000 - 350 000 | 0,05 - 0,08 | 3,00 - 6,00 | 28 - 35 |
| Серебро (микрочастицы) | 6,0 - 10,0 | 180 000 - 280 000 | 0,04 - 0,07 | 5,00 - 10,00 | 30 - 40 |
| Жидкий металл (сплав галлия) | 40,0 - 80,0 | 1 000 - 3 000 (жидкость) | 0,02 - 0,04 | 15,00 - 25,00 | 45 - 55 |
Примечание: снижение температуры измерено при мощности кристалла 100 Вт, температуре окружающей среды 25 градусов Цельсия и медном радиаторе. Жидкий металл электропроводен и требует никелированной медной крышки IHS для предотвращения коррозии галлия.
Метод нанесения и усилие прижима
Оптимальный метод нанесения зависит от вязкости пасты и механизма крепления радиатора. Для паст с вязкостью выше 250 000 сП рекомендуется метод «горошины» (точка в центре), поскольку усилие прижима естественным образом распределяет пасту наружу. Для паст с вязкостью ниже 200 000 сП более надежен метод «тонкого слоя» (нанесение равномерного слоя лезвием или шпателем).
Усилие прижима критически важно. Рекомендуемое контактное давление для металлической крышки IHS к медному радиатору составляет от 20 до 40 фунтов на квадратный дюйм (psi), что достигается с помощью усилительной пластины с подпружиненными винтами. При 20 psi паста сжимается до 90 процентов своего первоначального объема. При 40 psi — до 80 процентов. Превышение 60 psi может привести к полному выдавливанию пасты, оставляя сухое соединение.
Термоциклирование (включение/выключение питания) вызывает дифференциальное расширение между кристаллом (коэффициент теплового расширения 2,6 ppm/K для кремния), крышкой IHS (16,5 ppm/K для меди) и радиатором (23 ppm/K для алюминия). Это движение, обычно составляющее от 5 до 15 микрометров за цикл, может выдавливать пасту из зазора. Высоковязкие пасты и пасты с тиксотропным индексом выше 2,0 (когда вязкость падает под нагрузкой сдвига и восстанавливается в покое) устойчивы к этому эффекту выдавливания.
Контроль качества при производстве
В BQUQ мы производим термопасты для промышленных клиентов по процессам, сертифицированным по ISO 9001:2015. Наши критические параметры: - Теплопроводность измеряется методом защищенной горячей плиты (ASTM D5470), допуск плюс-минус 5 процентов - Вязкость измеряется ротационным вискозиметром Брукфильда при 25 градусах Цельсия, допуск плюс-минус 10 процентов - Размер частиц D50 методом лазерной дифракции, допуск плюс-минус 0,5 микрометра - Газовыделение тестируется по ASTM E595, общая потеря массы ниже 1 процента для космических применений - Срок хранения: 24 месяца при 25 градусах Цельсия и относительной влажности 60 процентов в герметичной упаковке-шприце
Для крупносерийного производства (более 10 000 единиц в месяц) мы рекомендуем автоматизированное дозирование с помощью пневматического шприца с иглой 0,6 миллиметра. Давление дозирования устанавливается от 60 до 80 psi, время цикла — от 0,8 до 1,2 секунды на точку. Вес точки контролируется в процессе с помощью контрольных весов с допуском плюс-минус 5 миллиграммов.
Советы по нанесению в формате FAQ
1. Нужно ли распределять пасту картой? Только если вязкость пасты ниже 200 000 сП и кристалл охлаждается напрямую (без IHS). Для процессоров с крышкой IHS метод «горошины» лучше, поскольку он позволяет избежать образования пузырьков воздуха. 2. Как понять, что пасты нанесено слишком много? Если после установки вы видите пасту, выдавливающуюся по бокам крышки IHS, значит, вы нанесли на 30–50 процентов больше нормы. Сотрите ее изопропиловым спиртом (90 процентов и выше) и нанесите заново. 3. Имеет ли паста срок годности? Да. Через 24 месяца полимерная матрица окисляется, и вязкость увеличивается до 30 процентов. Теплопроводность не ухудшается, но пасту становится труднее равномерно распределить. 4. Можно ли использовать пасту повторно после снятия радиатора? Нет. После нарушения клеевого шва в пасте образуются воздушные карманы. Всегда очищайте обе поверхности изопропиловым спиртом и наносите свежую пасту. 5. Какова минимальная температура нанесения? Наносите при комнатной температуре (от 20 до 25 градусов Цельсия). Ниже 10 градусов Цельсия силиконовые пасты становятся на 50 процентов более вязкими и не будут распределяться должным образом.
Заключение
Термопаста — это прецизионный композитный материал из полимерной матрицы и теплопроводящего наполнителя, с размерами частиц и вязкостью, подобранными под конкретные требования к толщине шва. Правильное количество — капля размером с горошину (от 30 до 50 кубических миллиметров) для стандартных поверхностей IHS процессоров, что обеспечивает шов толщиной от 0,05 до 0,1 миллиметра при усилии прижима от 20 до 40 psi. Использование правильного типа и количества пасты снижает температуру процессора на 20–55 градусов Цельсия по сравнению с сухим воздушным зазором, что напрямую влияет на надежность системы и срок ее службы.
Для инженеров, которым требуются стабильные и воспроизводимые термоинтерфейсные материалы для производства, BQUQ предлагает пасты по индивидуальной рецептуре с жесткими допусками и процессом котировки в течение 12 часов. Наша команда может подобрать состав под ваш тепловой бюджет, требования к вязкости и метод дозирования. Свяжитесь с нами по адресу sc@bquq.com или через WhatsApp по номеру +86 13713157787, либо посетите www.bquq.com для получения технических описаний и запроса образцов.
