Ikke glem termiske kontaktflatematerialer

Når det gjelder varmestyring, får vifter, kjøleribber og Peltier-enheter mye oppmerksomhet, noe som potensielt gjør det lett å glemme hvordan disse komponentene er montert. Et termisk kontaktflatemateriale (TIM – Thermal Interface Material) er svært viktig for å gi optimal ytelse for disse andre varmestyringsteknikkene. Hensikten med TIM-er er å okkupere de små, mikroskopiske hulrommene som befinner seg mellom to uensartede overflater med et stoff som har bedre varmeledningsevne enn luft. TIM-er kan omfatte forskjellige materialer som brukes til å forbedre varmeledningsevnen, noe som sikrer effektiv varmeoverføring fra et varmegenererende element, for eksempel en effekttransistor, til en varmeavleder, for eksempel en kjøleboks, termoelektrisk kjøler eller begge deler. Denne artikkelen vil forsøke å definere termisk ledningsevne og impedans på en detaljert måte, samtidig som den gir en innføring på høyt nivå av de forskjellige TIM-typene som er tilgjengelige for en konstruksjonstekniker.

Figur 1: En grunnleggende representasjon av en TIM-fyllingsluftspalte mellom to uensartede overflater. (Bildekilde: Same Sky)

Oversikt over termisk ledningsevne

For å forstå hvordan fylling av disse mikroskopiske hulrommene kan forbedre varmeoverføringen, er det viktig å ha en klar forståelse av hva termisk ledningsevne er. Termisk ledningsevne er et mål på et materials evne til å overføre varme, og er ikke avhengig av størrelsen til en gitt komponent. Denne parameteren blir som regel kvantifisert i effektenheter dividert med areal ganger temperatur, slik som W/m°C eller W/m*K. Vær oppmerksom på at, siden én enhet på Kelvin-skalaen er ekvivalent med én grad Celsius, det bare er den relative temperaturendringen som er relevant når man utfører beregninger, ikke den absolutte verdien.

Når det gjelder varmeavledning, er høyere termisk konduktivitet alltid mer ønskelig. Materialer med lav termisk ledningsevne utviser lav varmeoverføringshastighet, mens materialer med høy ledningsevne muliggjør raskere varmeoverføring. For kontekst er den termiske ledningsevnen til luft bare 0,0263 W/m*K, noe som er omtrent to størrelsesordener mindre enn for termiske kontaktflatematerialer. Når det er luftspalter mellom komponenten og kjøleribben, vil varmeavledning hindres. Ved å fylle disse spaltene med en TIM, som har mye større termisk ledningsevne enn luft, oppnås mer effektiv varmeoverføring.

Oversikt over termisk motstand

På den annen side er termisk impedans eller motstand i stor grad avhengig av formen til en bestemt komponent, og uttrykkes i enheter av temperatur dividert med effekt, dvs. grader Celsius pr. watt. Selv om termisk motstand er dekket i detalj i Same Sky sine blogginnlegg Oversikt over varmestyring og Slik velger du en kjøleribbe, får du en rask oppsummering her. Termisk motstand, som er angitt i enheter av C/W, fastsetter hvor mange grader Celsius varmere et koblingspunkt vil bli per watt effekt som avledes. Hvis, for eksempel, et koblingspunkt som avleder 4 watt har en motstand på 10 C/W, vil den øke 40 grader Celsius relativt til omgivelsestemperaturen. Den termiske motstandsverdien er ofte angitt for et bestemt medium og område, for eksempel en TO-220-kapsling til luft uten kjøleribbe.

Når flere enheter er integrert sammen, tildeles en ny termisk motstandsverdi. Denne termiske motstandsverdien forutsetter imidlertid at det eksisterer en perfekt forbindelse mellom de to overflatene, noe som ikke alltid er tilfelle. I slike situasjoner anvendes et termisk kontaktflatemateriale for å skape betingelser som er så nær ideelle som mulig. Selv om dette forbedrer varmeoverføringen, gir det også et nivå av kompleksitet siden den termiske motstanden til TIM-en da må inkluderes i beregningene. Det kan virke ironisk at selv om det termiske kontaktflatematerialet reduserer den termiske motstanden mellom to objekter, har det også sin egen termiske motstand. Denne verdien er ikke ubetydelig, men den reduserer fortsatt den totale termiske motstanden mellom to objekter mye mer enn den selv legger til. Avhengig av hvilken TIM-type som anvendes, kan denne termiske motstandsverdien tilveiebringes eller må beregnes basert på tykkelsen til TIM-en og overflatearealet der den påføres.

Figur 2: Eksempel på typiske varmeimpedansbaner som kan tas i betraktning i en konstruksjon. (Bildekilde: Same Sky)

Vanlige typer termiske kontaktflatematerialer

Termiske kontaktflatematerialer, som kan være geleer, fett, pastaer og kjøleplater, tilbyr ulike løsninger for å takle diverse varmestyringsutfordringer. Blant disse er termiske kontaktflatepastaer, som omfatter geleer og fett, som er kjent for sin høye termiske ledningsevne, fleksibilitet og evne til å fylle større hulrom. Påføring av pasta kan imidlertid være komplisert, spesielt på ujevne overflater, og gir ikke alltid konsistente resultater. Overdreven påføring kan føre til en reduksjon i generell effektivitet, mens utilstrekkelig påføring kan sette kontaktflatens termiske ytelse på spill. Videre kan metallbaserte pastaer, som gir overlegen termisk ledningsevne, skape elektriske farer hvis de berører kretskortet. Keramiske eller karbonbaserte pastaer kan være et tryggere alternativ, men den termiske effektiviteten deres er ikke så god som metallbaserte alternativer.

Kjøleplater er derimot solide TIM-er laget av silikonbaserte eller ikke-silikonbaserte elastomer, med mange andre tilgjengelige materialer. For eksempel er Same Sky sine kjøleplater naturlig klebrige, elektrisk isolerte og har varierende termisk ledningsevne, fra 1,0 til 6,0 W/m*K. En av de viktigste fordelene ved å bruke termiske kontaktflateplater i stedet for pastaer, er brukervennlighet. Same Sky sine kjøleplater er forhåndskuttet for å samsvare med profilene til Peltier-enhetene, noe som sparer tid og gir økt bekvemmelighet under montering sammenlignet med å kjøpe store plater med platemateriale og kutte dem ned til riktig størrelse. Kjøleplater gir også økt konsistens, mindre gris og er mer gjenbrukbare enn termiske pastaer.

I situasjoner hvor brukerne står overfor forskjellige enheter og størrelser, er imidlertid termisk pasta fortsatt et foretrukket alternativ takket være allsidigheten. Termisk pasta er også populær blant hobbykonstruktører, da det er billig og lett tilgjengelig i små rør, noe som eliminerer behovet for nøyaktig måling og dimensjonering. Dette gjør den til et praktisk alternativ for små prosjekter og engangskonstruksjoner. Her er en rask oppsummering av de forskjellige TIM-alternativene:

Tabell 1: Sammendrag av alternativer for termiske kontaktflatematerialer. (Bildekilde: Same Sky)

Konklusjon

Effektiv varmestyring er et komplekst problem som krever en rekke strategier og løsninger. Det er viktig å ikke ignorere viktigheten av termiske kontaktflatematerialer som en svært viktig komponent i det totale systemet. Forståelse av hvorfor termiske kontaktflatematerialer er nødvendige og mekanismene bak funksjonaliteten til disse, enten konstruksjonen er i prototypefasen, i overgangen til produksjon eller den bare bruker termiske grensesnittmaterialer for gjør-det-selv-prosjekter, kan bidra til en betydelig forskjell i den termiske ytelsen til en konstruksjon.