Soojust juhtivad pastad, liimid, ühendid ja isoleerivad termilised liidesed – eesmärk ja rakendus

Soojusülekande kvaliteedi parandamiseks pinnalt, mida tuleb tõhusalt jahutada, selle soojuse taastamiseks mõeldud seadmele kasutatakse nn termilisi liideseid.

Termiline liides on kiht, mis koosneb tavaliselt mitmekomponendilisest soojust juhtivast ühendist, tavaliselt pastast või ühendist.

Tänapäeval on populaarseimad termoliidesed need, mida kasutatakse arvutite mikroelektrooniliste komponentide jaoks: protsessorite jaoks, videokaardi kiipide jaoks jne. Soojusliideseid kasutatakse laialdaselt muus elektroonikas, kus ka toiteahelad kogevad suurt kuumenemist ning vajavad seetõttu tõhusat ja kvaliteetset jahutust... Soojusliidesed on rakendatavad ka igat tüüpi soojusvarustussüsteemides.

Ühel või teisel viisil kasutatakse erinevaid soojusjuhtivaid ühendeid jõuelektroonika, raadioelektroonika, arvutus- ja mõõteseadmete tootmisel, temperatuurianduritega seadmetes jne, ehk seal, kus tavaliselt on töövooluga kuumutatud komponendid või muul viisil.suure soojuse hajumisega. Tänapäeval on soojusliideseid järgmistes vormides: pasta, liim, ühend, metall, tihend.

Soojusülekande pasta

Termopasta või lihtsalt termopasta on tänapäevase termilise liidese väga levinud vorm. Tegemist on hea soojusjuhtivusega mitmekomponendilise plastseguga. Termopastasid kasutatakse soojustakistuse vähendamiseks kahe kontaktpinna vahel, näiteks kiibi ja jahutusradiaatori vahel.

Tänu soojust juhtivale pastale asendub madala soojusjuhtivusega õhk radiaatori ja jahutatava pinna vahel oluliselt suurema soojusjuhtivusega pastaga.

Levinumad Venemaal toodetud pastad on KPT-8 ja AlSil-3. Populaarsed on ka Zalmani, Cooler Masteri ja Steel Frosti pastad.

Peamised nõuded soojust juhtivale pastale on, et sellel oleks võimalikult väike soojustakistus, et see säilitaks stabiilselt oma omadused aja jooksul ja kogu töötemperatuuri vahemikus, et seda oleks lihtne peale kanda ja maha pesta ning mõnel juhul ka see on kasulik, et on olemas sobivad elektriisolatsiooni omadused.

Soojust juhtivate pastade tootmine on seotud parimate soojust juhtivate komponentide ja piisavalt kõrge soojusjuhtivusega täiteainete kasutamisega.

Mikrodispergeeritud ja nanodispergeeritud pulbrid ja segud volframi, vase, hõbeda, teemandi, tsingi ja alumiiniumoksiidi, alumiiniumi ja boornitriidi, grafiidi, grafeeni jms baasil.

Pasta koostises võib sideaine olla mineraal- või sünteetiline õli, erinevad segud ja madala lenduvusega vedelikud. On termopastasid, mille sideaine polümeriseerub õhus.

Juhtub, et pasta tiheduse suurendamiseks lisatakse selle koostisesse kergesti aurustuvaid komponente, nii et pealekandmisel on pasta vedel ja muutub seejärel suure tiheduse ja soojusjuhtivusega soojusliideseks. Seda tüüpi soojusjuhtivusega kompositsioonidel on iseloomulik omadus saavutada maksimaalne soojusjuhtivus pärast 5–100 tundi normaalset töötamist.

On metallipõhiseid pastasid, mis on toatemperatuuril vedelad. Sellised pastad koosnevad puhtast galliumist ja indiumist, samuti nendel põhinevatest sulamitest.

Parimad ja kallimad pastad on valmistatud hõbedast. Optimaalseks peetakse alumiiniumoksiidil põhinevaid pastasid. Hõbe ja alumiinium annavad lõpptoote madalaima soojustakistuse. Keraamikapõhised pastad on odavamad, kuid ka vähem tõhusad.

Lihtsaima termopasta saab, kui segada liivapaberile hõõrutud tavalise grafiitpliiatsi pliipulbrit mõne tilga mineraalse määrdeõliga.

Nagu ülalpool märgitud, kasutatakse termopastat tavaliselt soojusliidestena elektroonikaseadmetes, kus seda vajatakse, ning seda kasutatakse soojust genereeriva elemendi ja soojust hajutava struktuuri vahel, näiteks protsessori ja jahuti vahel.

Peamine asi, mida soojust juhtiva pasta kasutamisel jälgida, on hoida kihi paksus minimaalsena. Selle saavutamiseks on vaja rangelt järgida pasta tootja soovitusi.

Kahe osa termilisele kontaktpinnale kantakse veidi pastat ja seejärel need kaks pinda kokku surudes lihtsalt murenevad. Seega täidab pasta pindade väikseimad süvendid ja aitab kaasa homogeense keskkonna moodustumisele soojuse jaotamiseks ja edastamiseks väljapoole.

Termomääre sobib hästi erinevate elektroonikasõlmede ja komponentide jahutamiseks, mille soojuseraldus on olenevalt konkreetse korpuse tüübist ja omadustest suurem kui teatud komponendi puhul lubatav. Lülitustoiteallikate mikroskeemid ja transistorid, piltlampide seadmete lineaarskannerid, akustiliste võimendite võimsusastmed jne. Need on tavalised kohad termopasta kasutamiseks.

Soojusülekande liim

Kui soojust juhtiva pasta kasutamine on mingil põhjusel võimatu, näiteks seetõttu, et komponente ei ole võimalik kinnitusdetailidega tihedalt üksteise külge suruda, kasutavad nad soojust juhtivat liimi. Jahutusradiaator on lihtsalt liimitud transistori, protsessori, kiibi vms külge.

Ühendus osutub lahutamatuks, seetõttu nõuab see õigeks ja kvaliteetseks liimimiseks ülitäpset lähenemist ja tehnoloogia järgimist. Tehnoloogia rikkumisel võib soojusliidese paksus osutuda väga suureks ja vuugi soojusjuhtivus halveneb.

Soojust juhtivad potisegud

Kui lisaks kõrgele soojusjuhtivusele on nõutav hermeetilisus, elektriline ja mehaaniline tugevus, täidetakse jahutatud moodulid lihtsalt polümeriseeritava seguga, mis on ette nähtud soojuse ülekandmiseks kuumutatud komponendist seadme korpusesse.

Kui jahutatud moodul peab palju soojust hajutama, siis peab segu olema ka piisava vastupidavusega kuumenemisele, termilisele tsüklilisusele ning taluma mooduli sisesest temperatuurigradiendist tulenevat termilist pinget.

Madalsulavad metallid

Üha enam populaarsust koguvad termoliidesed, mis põhinevad kahe pinna jootmisel kergsulava metalliga. Tehnoloogia õigesti rakendamisel on võimalik saavutada rekordiliselt madal soojusjuhtivus, kuid meetod on keeruline ja sellel on palju piiranguid.

Kõigepealt on vaja paarituspinnad paigaldamiseks kvalitatiivselt ette valmistada, sõltuvalt nende materjalist võib see olla keeruline ülesanne.

Kõrgtehnoloogilistes tööstusharudes on võimalik jootma mis tahes metalle, hoolimata asjaolust, et mõned neist nõuavad pinna spetsiaalset ettevalmistamist. Igapäevaelus seotakse kvalitatiivselt ainult need metallid, mis sobivad hästi tinatamiseks: vask, hõbe, kuld jne.

Keraamika, alumiinium ja polümeerid ei sobi üldse tinatamiseks, nendega on olukord keerulisem, siin pole osade galvaanilist isolatsiooni võimalik saavutada.

Enne jootmise alustamist tuleb tulevased liidetavad pinnad mustusest puhastada. Oluline on seda teha tõhusalt, puhastada see korrosioonijälgedest, sest madalatel temperatuuridel räbust üldiselt ei aita.

Puhastamine toimub tavaliselt mehaaniliselt, kasutades alkoholi, eetrit või atsetooni. Selle jaoks on termilise liidese pakendis mõnikord olemas kõva lapp ja alkoholilapp.Tööd tuleb teha kinnastega, sest kätest saadav määre halvendab kindlasti jootmise kvaliteeti.

Jootmine ise peab toimuma kuumutades ja järgides tootja määratud tugevust. Mõned tööstuslikud termilised liidesed nõuavad ühendatud osade kohustuslikku eelkuumutamist temperatuurini 60–90 °C ja see võib olla ohtlik mõne tundliku elektroonikakomponendi jaoks. Esialgne kuumutamine toimub tavaliselt fööniga ning seejärel lõpetab jootmise tööseadme isekuumenemisega.

Seda tüüpi termilisi liideseid müüakse hiilgava fooliumi kujul, mille sulamistemperatuur on veidi üle toatemperatuuri, aga ka pastade kujul. Näiteks Fooliumi kujul oleva Fieldsi sulami sulamistemperatuur on 50 ° C. Galinstan pasta kujul sulab toatemperatuuril. Erinevalt fooliumist on pastasid keerulisem kasutada, kuna need peavad olema joodetavatesse pindadesse väga hästi kinni pandud, samas kui foolium vajab kokkupanemisel ainult korralikku kuumutamist.

Isolatsiooni tihendid

Jõuelektroonikas on sageli vaja soojusülekande ja jahutusradiaatori elementide vahelist elektriisolatsiooni. Seetõttu, kui soojust juhtiv pasta ei sobi, kasutatakse silikoon-, vilgukivi- või keraamilisi substraate.

Painduvad pehmed padjad on valmistatud silikoonist, kõvad padjad on valmistatud keraamikast. Olemas on õhukese keraamikakihiga kaetud vask- või alumiiniumlehepõhised trükkplaadid, millele kantakse vaskfooliumi jäljed.

Tavaliselt on need ühepoolsed lauad, ühel pool rööbastee ja teisel pool radiaatori külge kinnitatav pind.

Lisaks toodetakse erijuhtudel jõukomponente, mille korpuse metallosa, mis on radiaatori külge kinnitatud, kaetakse koheselt epoksiidikihiga.

Termiliideste kasutamise omadused

Termilise liidese paigaldamisel ja eemaldamisel tuleb rangelt järgida selle tootja ja ka jahutatava (jahutus) seadme tootja soovitusi. Elektrit juhtivate soojusliidestega töötamisel on oluline olla eriti ettevaatlik, kuna selle liig võib sattuda teistesse ahelatesse ja põhjustada lühise.