Glem ikke de termiske grænsefladematerialer

Inden for termisk styring er man meget opmærksom på ventilatorer, køleprofiler og Peltier-enheder, hvilket gør det nemt at glemme den måde, hvorpå disse komponenter er samlet. Et termisk grænseflademateriale (TIM) er af største betydning for at sikre optimal ydeevne for disse andre termiske styringsteknikker. Formålet med TIM'er er at udfylde de små, mikroskopiske hulrum, der findes mellem to uensartede overflader, med et stof, der har en bedre varmeledningsevne end luft. TIM'er kan bestå af forskellige materialer, der anvendes til at forbedre den termiske ledningsevne og sikre effektiv varmeoverførsel fra et varmeproducerende element som f.eks. en effekttransistor til en varmeafleder som f.eks. en køleplade, en termoelektrisk køler eller begge dele. Denne artikel vil arbejde på at definere termisk ledningsevne og impedans mere detaljeret og samtidig give en grundbog på højt niveau om de forskellige typer TIM'er, der er tilgængelige for en designingeniør.

Figur 1: En grundlæggende fremstilling af en TIM, der udfylder lufthuller mellem to uensartede overflader. (Billedkilde: Same Sky)

Oversigt over varmeledningsevne

For fuldt ud at forstå, hvordan fyldning af disse mikroskopiske hulrum kan forbedre varmeoverførslen, er det vigtigt at have en klar forståelse af varmeledningsevne. Varmeledningsevne er et mål for et materiales evne til at overføre varme og er ikke afhængig af størrelsen af en given komponent. Denne parameter kvantificeres generelt i enheder af effekt divideret med areal gange temperatur, f.eks. W/m°C eller W/m*K. Det skal bemærkes, at da en enhed på Kelvin-skalaen svarer til en grad Celsius, er det kun den relative ændring i temperatur, der er relevant, når man udfører beregninger, og ikke den absolutte værdi.

Når det drejer sig om varmeafledning, er en højere varmeledningsevne altid mere ønskværdig. Materialer med lav varmeledningsevne udviser en lav varmeoverførselshastighed, mens materialer med høj varmeledningsevne giver mulighed for en hurtigere varmeoverførsel. I den forbindelse skal det nævnes, at luftens varmeledningsevne kun er 0,0263 W/m*K, hvilket er ca. to størrelsesordener mindre end for termiske grænsefladematerialer. Når der er luftspalter mellem komponenten og kølepladen, vil varmeafgivelsen blive hæmmet. Ved at fylde disse hulrum med TIM, som har en betydeligt større varmeledningsevne end luft, opnås en mere effektiv varmeoverførsel.

Oversigt over termisk modstand

På den anden side er den termiske impedans eller modstand i høj grad afhængig af formen af en specifik komponent og udtrykkes i enheder af temperatur divideret med effekt, dvs. grader Celsius pr. Watt. Termisk modstand er dækket i detaljer i Same Sky blogs Overview of Thermal Management og How to Select a Heatsink ( Oversigt over termisk styring og hvordan man vælger en køleprofil), men her er en hurtig opsummering. Termisk modstand, angivet i enhederne C/W, bestemmer, hvor mange grader Celsius varmere et forbindelsespunkt bliver pr. watt effekt, der afgives. Hvis f.eks. et forbindelsesled, der afgiver 4 watt effekt, har en modstand på 10 C/W, vil temperaturen stige med 40 grader Celsius i forhold til omgivelsestemperaturen. Ofte er den termiske modstandsværdi angivet for et bestemt medium og område, f.eks. en TO-220 pakke mod luft uden kølehoved.

Når flere enheder integreres sammen, tildeles en ny værdi for den termiske modstand en ny værdi. Denne termiske modstandsværdi forudsætter imidlertid, at der er en perfekt forbindelse mellem de to overflader, hvilket ikke altid er tilfældet. I sådanne situationer anvendes et termisk grænseflademateriale for at skabe forhold så tæt på ideelle forhold som muligt. Selv om dette forbedrer varmeoverførslen, øger det også kompleksiteten, da TIM's termiske modstand skal medtages i beregningerne. Det kan virke ironisk, at selv om det termiske grænseflademateriale reducerer den termiske modstand mellem to genstande, har det også sin egen termiske modstand. Denne værdi er ikke ubetydelig, men den reducerer stadig den termiske modstand mellem to genstande betydeligt mere end den øger den. Afhængigt af den anvendte type TIM kan denne termiske modstand være tilvejebragt eller skal beregnes på grundlag af TIM'ens tykkelse og det overfladeareal, som den er påført over.

Figur 2: Eksempel på de typiske termiske impedansveje, der kan overvejes i en applikation. (Billedkilde: Same Sky)

Almindelige typer af termiske grænsefladematerialer

Termiske grænsefladematerialer, som kan have form af geler, fedtstoffer, pastaer og puder, tilbyder forskellige løsninger til at løse udfordringerne med varmestyring. Blandt disse er termiske grænsefladepastaer, herunder geler og fedtstoffer, kendt for deres høje varmeledningsevne, fleksibilitet og evne til at udfylde større huller. Det kan dog være kompliceret at påføre pasta, især på ujævne overflader, og det giver ikke altid ensartede resultater. Overdreven påføring kan føre til en reduktion i den samlede effektivitet, mens utilstrækkelig påføring kan kompromittere den termiske grænseflades ydeevne. Desuden kan metalbaserede pastaer, som har en bedre varmeledningsevne, skabe elektriske risici, hvis de løber ud på PCB'et. Keramiske eller kulstofbaserede pastaer kan være et mere sikkert alternativ, men deres termiske effektivitet er muligvis ikke lige så god som metalbaserede løsninger.

I modsætning hertil er termiske puder massive TIM'er fremstillet af silikone eller ikke-silikone elastomere, men der findes også mange andre materialer. Same Sky termiske puder er f.eks. naturligt klæbrige, elektrisk isolerede og har forskellige varmekonduktivitetsværdier, der spænder fra 1,0 til 6,0 W/m*K. En af de største fordele ved at bruge termiske grænsefladepuder i stedet for pasta er, at de er lette at anvende. Same Sky termiske puder er for-skåret til at matche profilerne på deres Peltier-enheder, hvilket sparer tid og giver større bekvemmelighed under monteringen sammenlignet med at købe store ark af pude-materiale og skære dem ned i størrelse. Termiske puder giver også større konsistens, mindre rod og kan genbruges bedre end termiske pastaer.

Men i situationer, hvor brugerne står over for forskellige enheder og størrelser, er termisk pasta fortsat en foretrukken løsning på grund af dens alsidighed. Termisk pasta er også populært blandt hobbyfolk, da det er billigt og let tilgængeligt i små tuber, hvilket eliminerer behovet for præcise målinger og dimensionering. Det gør det til en praktisk løsning til små projekter og engangstilfælde. Her er en kort oversigt over de forskellige TIM-muligheder:

Tabel 1: Oversigt over mulighederne for termiske grænsefladematerialer. (Billedkilde: Same Sky)

Konklusion

Effektiv varmestyring er et komplekst problem, der kræver en række strategier og løsninger. Det er vigtigt ikke at overse betydningen af termiske grænsefladematerialer som en vigtig komponent i det samlede system. Uanset om du er i prototypefasen, på vej til produktion eller blot bruger termiske grænsefladematerialer til gør-det-selv-projekter, kan det gøre en betydelig forskel i et designs termiske ydeevne at forstå årsagerne til deres nødvendighed og mekanismerne bag deres funktionalitet.