Ключевые критерии выбора высокопроизводительных термоинтерфейсных материалов

От потребительской электроники до авиакосмической отрасли все электронные устройства требуют активного теплового управления для эффективного рассеивания тепла от компонентов. Узким местом теплового управления часто является теплопроводность между тепловыделяющими компонентами и системами охлаждения. К сожалению, многие электронные устройства не могут получить достаточное охлаждение от радиаторов или вентиляторов из-за ограниченного пространства. В таких приложениях производительность термоинтерфейсных материалов (ТИМ) становится еще более важной.

Наиболее распространенные методы извлечения тепла от высокомощных центральных процессоров (CPU) или систем на кристалле (SoC) — термопаста или термоклей. Хотя эти решения обеспечивают высокую производительность, у них есть недостатки: они могут быть грязными, трудоемкими в нанесении и иметь низкую долгосрочную надежность. Кроме того, традиционные высокопроводящие (>20 Вт/м·К) термоинтерфейсные материалы известны своей высокой стоимостью и трудностями в производстве.

Каковы основные функции ТИМ?

Когда радиатор устанавливается на тепловыделяющий компонент, естественным образом возникают воздушные зазоры. Эти зазоры создают высокое тепловое сопротивление, приводящее к перегреву. ТИМ решают эту проблему, заменяя воздушные зазоры термически проводимыми материалами. Это создает более эффективный тепловой путь за счет снижения общего теплового сопротивления в системе. ТИМ также могут обеспечивать электрическую изоляцию или клеящееся крепление без необходимости дополнительных механических креплений.

ТИМ должны соответствовать неровностям поверхности, иначе возникнет увеличенное контактное тепловое сопротивление. Некоторое контактное сопротивление неизбежно, но любой термически проводимый материал будет полезнее воздуха.

Хотя инженеры-конструкторы стремятся к минимально возможному зазору для сокращения теплового пути, иногда определенная толщина должна сохраняться для лучшего смачивания или контакта на неравномерной подложке. В зависимости от типа полимерной смолы, типа наполнителя и уровня его загрузки способность к смачиванию может отличаться. Также производительность ТИМ может варьироваться в зависимости от термомеханических свойств, приложенного давления, чистоты поверхности подложки и среды.

Факторы, которые следует учитывать при выборе ТИМ

Форм-фактор

Существует множество типов термоинтерфейсных материалов: смазки, гели, прокладки, пасты, ленты, материалы с фазовым переходом (PCM) и даже металлы. При выборе ТИМ важно знать продукт и его характеристики. Для тонких зазоров обычно используют смазки или PCM, а для толстых — прокладки, гели или пастообразные материалы.

ТИМ также можно классифицировать как применения типа TIM 1, TIM 2 или TIM 1.5. Классификация основана на месте использования относительно кристалла кристалла (die) и термораспределительной крышки. Например, применение TIM 1 использует ТИМ между кристаллом и термораспределительной крышкой, его главная цель — снизить контактное сопротивление и рассеивать экстремальное тепло напрямую от процессоров. Традиционно для этого используется металлический припой; сегодня также применяют смазки, гели или PCM.

С другой стороны, применение TIM 2 используется между радиатором и термораспределительной крышкой или корпусом SoC. Обычно используются более толстые ТИМ, такие как прокладки, так как тепловое управление на уровне корпуса не такое экстремальное, как на уровне кристалла. Применение TIM 2 может требовать возможности переработки и сжимаемости, что позволяет компенсировать потребности присоединенного радиатора.

В применении TIM 1.5 кристалл находится в прямом контакте с компонентом охлаждения без термораспределителя. Эта категория ТИМ часто используется в мобильных устройствах.

Гели и пасты иногда предпочтительнее прокладок, потому что их более тонкие слои склеивания позволяют им иметь более высокую сжимаемость и тепловую производительность по сравнению с прокладками. Прокладки Thermexit™ решают обе проблемы, обеспечивая отличную конформируемость и тепловую производительность.

 

 

Теплопроводность

Еще один важный фактор — тепловая производительность. В электронном устройстве есть компоненты, выделяющие тепло, и компоненты охлаждения, определяющие, сколько тепла может быть рассеяно. Это означает, что температура окружающей среды и наличие активных компонентов охлаждения определяют тепловой бюджет. Зная свой тепловой бюджет, можно решить, какие термоинтерфейсные материалы нужны, так как ТИМ можно легко адаптировать под ваш тепловой дизайн.

Физические и механические свойства

Механические свойства ТИМ, такие как твердость, дефлекция и остаточная деформация при сжатии, также следует учитывать. Некоторые пользователи предпочитают композиции или гели для защиты чувствительных компонентов, хотя эти дозируемые продукты могут иметь недостатки, которые будут обсуждены позже. Важно найти подходящий ТИМ для вашего проектного давления и толщины зазора.

Электрическая изоляция

Важный фактор — является ли ТИМ электрически изолирующим. Некоторые приложения очень чувствительны к электрической проводимости. Большинство термопрокладок обеспечивают отличную электрическую изоляцию благодаря своей относительно большой толщине, в отличие от смазок, гелей или PCM.

Применение

При выборе ТИМ следует учитывать долгосрочную надежность. Сегодня много электронных устройств используются в экстремально суровых условиях, требующих высоких циклов мощности. Также важно, чтобы ТИМ в автомобильной промышленности тестировались под механической вибрацией.

Факторы применения

Каждый форм-фактор связан с факторами применения: приложенное давление, способ крепления, толщина слоя склеивания, геометрия и среда. Простые факторы, такие как удобство обращения и среда, легко упускаются, но их нельзя игнорировать.

Смотрите за пределами даташита

Хотя даташиты ТИМ предоставляют полезную информацию, они не должны быть единственным ресурсом при выборе. Большая часть данных от поставщиков получена по отраслевым стандартам или собственным тестовым методам для оптимизации характеристик продукта. Однако один и тот же ТИМ ведет себя по-разному в зависимости от условий. Обычно ожидается, что более высокая теплопроводность даст лучшую производительность, но всегда ли это так? Также стоит спросить, нужен ли ТИМ с более высокой теплопроводностью, когда ТИМ с более низкой может обеспечить адекватную производительность. Иногда использование ТИМ с более высокой теплопроводностью в приложении, не требующем этого, не приносит тех же выгод.

Тип термопрокладки

Наконец, допустим, мы решили использовать термопрокладку. Прежде чем рассматривать теплопроводность или сжимаемость, нужно посмотреть на базовые свойства и требования. Например, рабочая температура устройства определит необходимую химию смолы. Также важно знать, требует ли устройство высокотемпературного силиконового ТИМ или может использовать альтернативную смоловую систему. Некоторые прокладки имеют стекловолоконный носитель, который может не подойти для определенных применений. Иногда правильная толщина одна может решить многие строгие тепловые проблемы.

Решения Thermexit™

Thermexit™ разрабатывает высокопроводящие термопрокладки, преодолевающие более толстые слои склеивания и превосходящие тонкослойные термоинтерфейсные материалы. Наша уникальная высокотемпературная несиликоновая смола может заменить силиконовую химию и минимизировать загрязнение маслом. Наша смоловая система также является неотверждающей, обеспечивая отличную долгосрочную производительность.

 

Прокладки Thermexit™ высокосжимаемы, чтобы минимизировать контактное сопротивление без больших усилий и напряжения компонентов. Они имеют простое монтажное применение (pick-and-place) и естественно липкие без остатков или грязи паст или гелей. Thermexit предлагает две линейки продуктов: Thermexit EI (электрически изолирующие) и Thermexit HP (высокая производительность). Обе прокладки обеспечивают высокую теплопроводность >15 Вт/м·К и 40 Вт/м·К соответственно.

 

Для получения дополнительной информации посетите thermexit.com и свяжитесь с нами по адресу support@thermexit.com.