Elektronikler için Termal Arayüz Malzemelerini Nasıl Seçer ve Uygularsınız?
Doğrudan cevap, termal arayüz malzemesini (TIM) gerekli termal empedansa, yüzeyler arasındaki boşluk kalınlığına, çalışma sıcaklığı aralığına ve montaj sırasında uygulanan basınca göre seçmenizdir; uygulama ise malzemenin formuna (macun, ped veya faz değişimi) ve 25 ila 100 mikrometrelik minimum bağ hattı kalınlığı (BLT) ihtiyacına göre belirlenir. Çoğu CNC işlemeli soğutucu ve damgalanmış metal bileşen için, 50 mikrometre kalınlığında uygulanan 3 ila 6 W/m·K termal iletkenliğe sahip silikon bazlı bir termal macun, en iyi maliyet-performans oranını sunar. Yüksek titreşimli ortamlarda veya yeniden işleme gereken durumlarda, hafifçe daha yüksek termal direncine rağmen bir faz değişim malzemesi veya termal olarak iletken bir ped tercih edilir.
Termal Macun, Pedler ve Faz Değişim Malzemeleri Arasındaki Fark Nedir?
Termal macun, bir CPU veya güç modülü ile soğutucu arasındaki mikroskobik hava boşluklarını doldurmak için tasarlanmış, seramik, bor nitrür veya metal oksit parçacıklarıyla doldurulmuş viskoz bir silikon veya hidrokarbon bileşiğidir. 25 ila 75 mikrometrelik bir bağ hattı kalınlığına (BLT) ulaşmak için 10 ila 30 psi sıkıştırma basıncı gerektirir ve toplu olarak gram başına yaklaşık 0,02 ila 0,05 USD ile en ekonomik seçenektir. Termal pedler, 0,5 ila 5,0 mm kalınlığında, 1,5 ila 12 W/m·K termal iletkenlik sunan önceden şekillendirilmiş silikon veya akrilik tabakalardır; düzgün olmayan yüzeyler için en iyisidirler ve kürlenme gerektirmezler, ancak termal empedansları macundan 3 ila 5 kat daha yüksektir. Faz değişim malzemeleri (PCM'ler) oda sıcaklığında katıdır ve 45 ila 60 santigrat derecede erir, ilk açılışta mikroskobik boşluklara akar; 25 ila 50 mikrometrelik bir BLT elde ederler ve macuna yakın performans sunarken pedin kullanım kolaylığını sağlarlar.
Gerekli Termal Empedansı ve Temas Basıncını Nasıl Hesaplarsınız?
Yöneten denklem şudur: Termal Empedans (Rth) = BLT / (Termal İletkenlik x Alan), K·cm²/W veya °C·cm²/W birimleriyle ölçülür. Maksimum bağlantı sıcaklığı 105 °C ve ortam sıcaklığı 25 °C olan 50 W güç harcayan 20 mm x 20 mm'lik bir güç cihazı için toplam sistem direnci 1,6 °C/W'ın altında olmalıdır; bu, TIM'ın tek başına 0,3 ila 0,5 °C·cm²/W'dan fazla katkıda bulunmaması gerektiği anlamına gelir. Temas basıncı, TIM'ı belirtilen BLT değerine sıkıştırmak için yeterince yüksek olmalıdır; macun için bu tipik olarak 10 ila 30 psi (0,07 ila 0,21 MPa) iken, üreticinin belirttiği yüzde 20 ila 40 sıkıştırma oranına ulaşmak için pedler için 40 ila 100 psi (0,28 ila 0,69 MPa)'dir.
Uygulamanız İçin En Önemli Termal İletkenlik Değeri Hangisidir?
Hacimsel termal iletkenlik (W/m·K) en çok reklamı yapılan değerdir, ancak BLT ve temas direncini hesaba kattığı için efektif termal empedans (K·cm²/W) daha önemlidir. 25 mikrometrelik BLT'de uygulanan 6 W/m·K'lık bir macun yaklaşık 0,04 K·cm²/W'lık bir empedans sağlarken, 1,0 mm kalınlığındaki 5 W/m·K'lık bir ped, benzer iletkenliğe rağmen beş kat daha kötü olan 0,20 K·cm²/W sağlar. Yüksek güçlü IGBT modülleri veya lazer diyotları için, 5 W/m·K'nin üzerinde iletkenliğe ve 50 mikrometrenin altında BLT'ye sahip bir TIM seçin; düşük güçlü tüketici elektroniği için 1,5 ila 3 W/m·K'lık bir ped yeterlidir ve maliyeti yüzde 40 azaltır.
Yüzey Pürüzlülüğü ve Düzlüğü TIM Performansını Nasıl Etkiler?
CNC işlemeli alüminyum soğutucuların yüzey pürüzlülüğü tipik olarak Ra 0,8 ila 1,6 mikrometredir, damgalanmış çelik parçalar ise Ra 1,6 ila 3,2 mikrometreye ulaşabilir ve bu tepe ve vadiler arayüzde hapsolan hava hacmini belirler. Havanın termal iletkenliği 0,026 W/m·K'dir, bu nedenle 10 mikrometreden kalın herhangi bir boşluk yalıtkan görevi görür; TIM bu boşlukları tamamen doldurmalıdır, bu da düşük viskoziteli veya yüksek sıkıştırılabilirliğe sahip bir malzeme gerektirir. 25 mm üzerinde 0,05 mm'den büyük düzlük sapması olan eşleşen yüzeyler için 1,0 mm'den kalın bir ped önerilir çünkü macun yüksek noktalarda sıkışıp dışarı atılacak ve alçak noktalarda boşluklar bırakacaktır, oysa ped dışarı pompalanmadan yüzeye uyum sağlar.
Macun veya Pedler Yerine Ne Zaman Kürlenen Sıvı Boşluk Doldurucu Kullanmalısınız?
Bileşenler arasındaki boşluk 0,2 ila 2,0 mm arasında değiştiğinde, örneğin PCB'ye monte edilmiş bir güç katmanı ile büyük bir döküm soğutucu arasında, bir sıvı boşluk doldurucu (silikon veya akrilik, boncuk olarak dağıtılır ve 100 ila 150 °C'de kürlenir) kullanın. Boşluk doldurucular 2 ila 8 W/m·K termal iletkenlik sunar ve mekanik bağlama sağlar, ayrı klips veya vida ihtiyacını ortadan kaldırır, bu da montaj süresini yüzde 15 ila 30 azaltır. Servis edilebilir bağlantılar için önerilmezler çünkü kürlenmiş durumları sökme işlemini zorlaştırır, bileşene zarar verebilecek bir çözücü veya mekanik kaldırma gerektirir.
Hava Hapsini ve Pompa Çıkışını Önlemek İçin Termal Macunu Nasıl Uygulamalısınız?
Kalıp alanının yüzde 70 ila 80'ini kaplayan bir X deseni veya tek bir merkezi nokta uygulayın, hacmi kontrol etmek için bir şablon veya otomatik dağıtıcı kullanın; 25 mm x 25 mm'lik bir kalıp için bu 0,3 ila 0,5 mililitre macundur. Soğutucu, macunu kesmek ve hapsolan havayı dışarı atmak için 5 ila 10 derecelik hafif bir dönme hareketiyle yatay bir hareketle indirilmeli, ardından M3 vidalar için 0,4 ila 0,6 N·m torka çapraz desende eşit şekilde sıkılmalıdır. Termal döngüden kaynaklanan pompa çıkışını önlemek için, 100 ila 300 Pa·s viskoziteye ve yüzde 1'in altında düşük yağ salma oranına sahip bir macun seçin veya 45 °C'nin altında katılaşan bir PCM'ye geçin.
Yaygın TIM Türleri İçin Gerçek Toleranslar ve Maliyetler Nelerdir?
| TIM Türü | Termal İletkenlik (W/m·K) | Bağ Hattı Kalınlığı (mikrometre) | Termal Empedans (K·cm²/W) | Çalışma Sıcaklık Aralığı (°C) | cm² Başına Toplu Maliyet | Uygulama Yöntemi |
| Termal Macun (silikon) | 3,0 ila 6,0 | 25 ila 75 | 0,04 ila 0,15 | -40 ila 200 | USD 0,01 ila 0,03 | Serigrafi, şırınga |
| Termal Ped (silikon) | 1,5 ila 12,0 | 500 ila 3000 | 0,20 ila 0,80 | -60 ila 200 | USD 0,05 ila 0,20 | Kalıp kesim, elle yerleştirme |
| Faz Değişim Malzemesi | 3,0 ila 8,0 | 25 ila 50 | 0,05 ila 0,20 | -40 ila 125 | USD 0,08 ila 0,25 | Kalıp kesim, önceden takılmış |
| Sıvı Boşluk Doldurucu (kürlenen) | 2,0 ila 8,0 | 200 ila 2000 | 0,10 ila 0,50 | -50 ila 150 | USD 0,10 ila 0,30 | Otomatik dağıtım |
| Grafit Levha | 10 ila 25 | 25 ila 100 | 0,03 ila 0,10 | -240 ila 400 | USD 0,20 ila 0,50 | Kalıp kesim, klipsli |
Yukarıdaki veriler, CNC işlemeli alüminyum veya bakır soğutucularla kullanılan ticari TIM'ler için tipik değerleri yansıtır. Grafit levhalar üstün iletkenlik sunar ancak düşük empedans elde etmek için 100 psi'nin üzerinde sıkıştırma basıncı gerektirir, bu da onları üst düzey sunucular ve otomotiv invertörleri için uygun hale getirir.
Üretim Ortamında TIM Uygulamasını Nasıl Doğrularsınız?
Kalıp yüzeyinde bir termokupl veya kızılötesi kamera kullanarak termal test yapın, yüzde 50 ve yüzde 100 yükte sıcaklık artışını ölçün ve termal direnç modelinden hesaplanan bağlantı sıcaklığıyla karşılaştırın. Parti kalite kontrolü için, tek tip sıkıştırma basıncını doğrulamak üzere bir tork anahtarı kullanın ve boşlukları kontrol etmek için termal döngüden sonra bir numune üniteyi sökerek veya X-ray ile BLT'yi ölçün. Üretim kabul kriteri, tam yükte birimler arasında maksimum 5 °C sıcaklık sapmasıdır; sapma bunu aşarsa, macun hacmini, yüzey düzlüğünü ve sıkma torkunu yeniden inceleyin.
SSS
Termal Macun ve Pedlerin Raf Ömrü Nedir?
Termal macun, kapalı bir kapta 20 ila 25 °C'de saklandığında tipik olarak 12 ila 24 aylık bir raf ömrüne sahiptir, pedler ve PCM'ler ise aynı koşullarda 24 ila 36 ay dayanır. Açıldıktan sonra macun, dolgu maddelerinin ayrışmasını ve çözücü buharlaşmasını önlemek için 6 ay içinde kullanılmalıdır. Kritik uygulamalar için her zaman üreticinin son kullanma tarihini kontrol edin ve taze bir kartuştan macun yeniden dağıtın.
Sökme Sonrasında Termal Ped Yeniden Kullanılabilir mi?
Hayır, bir termal ped asla yeniden kullanılmamalıdır çünkü geri dönüşümsüz olarak sıkışır ve uyum sağlama yeteneğini kaybeder, bu da hava boşluklarına ve termal dirençte yüzde 20 ila 50 artışa yol açar. Faz değişim malzemeleri de orijinal yüzey profiline zaten aktıkları için yeniden kullanımda başarısız olur. Soğutucu her çıkarıldığında TIM'ı yeni bir parçayla değiştirin.
Silikon Bazlı TIM'ler İçin Maksimum Çalışma Sıcaklığı Nedir?
Silikon bazlı termal macun ve pedler sürekli olarak 200 °C'ye kadar çalışabilirken, PCM'ler 125 °C ile sınırlıdır ve grafit levhalar inert atmosferlerde 400 °C'ye kadar çıkabilir. 150 °C'nin üzerinde silikon, optikleri veya elektrik kontaklarını kirletebilecek uçucu yağlar salmaya başlayabilir. 150 °C'yi aşan uygulamalar için, düşük gaz çıkışı sertifikalı bir grafit veya seramik dolgulu macun seçin.
Termal Döngü TIM Ömrünü Nasıl Etkiler?
25 ila 85 °C arasındaki termal döngü, silikon kalıp (2,6 ppm/°C), bakır soğutucu (17 ppm/°C) ve alüminyum (23 ppm/°C) arasında diferansiyel genleşmeye neden olur ve bu da TIM'ı keserek pompa çıkışına yol açabilir. Düşük modüllü yüksek viskoziteli bir macun veya PCM, önemli bir bozulma olmadan 1000 ila 2000 döngüye dayanacaktır. TIM'ı belirli uygulamanız için kalifiye etmek üzere JEDEC JESD22-A104'e göre test yapılması önerilir.
Otomotiv veya Havacılık gibi Titreşime Yatkın Ortamlar İçin Hangi TIM En İyisidir?
Sürekli titreşim olan ortamlar için, Shore A sertliği 30'un altında olan kürlenmiş bir sıvı boşluk doldurucu veya kalın bir termal ped kullanın, çünkü bunlar mekanik sönümleme sağlar ve bağlantıdan dışarı göç etmez. Macun ve PCM'ler önerilmez çünkü titreşim zamanla dışarı sızmalarına neden olarak termal direnci artırabilir. 5 W/m·K iletkenliğe ve 1,0 mm kürlenmiş kalınlığa sahip bir boşluk doldurucu, motor kontrol üniteleri ve batarya yönetim sistemleri için kanıtlanmış bir çözümdür.
TIM Uygulamadan Önce Astar veya Yüzey İşlemi Gerekli midir?
Temiz alüminyum veya bakır yüzeylerde silikon bazlı TIM'ler için astar gerekmez, ancak yüzeyler izopropil alkol ile yağdan arındırılmalı ve yağları ve parçacıkları gidermek için kurutulmalıdır. Grafit levhalar için, her iki tarafta ince bir termal macun tabakası (0,05 mm) temas direncini yüzde 20 azaltabilir. 25 mikrometrenin üzerinde kalınlığa sahip anodize alüminyum yüzeyler daha düşük termal emisyona sahiptir ve aynı empedansı elde etmek için daha yüksek sıkıştırma basıncı gerektirebilir.
Damgalanmış Metal Soğutucu İçin Doğru TIM Kalınlığını Nasıl Seçersiniz?
Tipik düzlüğü 0,1 ila 0,3 mm olan damgalanmış çelik veya alüminyum soğutucular için, çarpılmayı karşılamak üzere 1,0 ila 2,0 mm kalınlığında bir termal ped seçin. Daha ince bir ped (0,5 mm) boşlukları tamamen doldurmaz ve sıcak noktalara yol açar. Macun kullanılıyorsa, sıkıştırma basıncı damgalanmış yüzeyi plastik olarak deforme edecek kadar yüksek olmalıdır, bu pratik değildir; bu nedenle pedler damgalanmış parçalar için standart seçimdir.
Sonuç
Doğru termal arayüz malzemesini seçmek, termal iletkenlik, bağ hattı kalınlığı, sıkıştırma basıncı ve maliyeti dengelemeyi gerektirir; gerçek dünya performansı yalnızca W/m·K değeriyle değil, efektif empedansla belirlenir. Düz yüzeylere sahip CNC işlemeli soğutucular için, 50 mikrometre BLT'de silikon macun en düşük maliyeti ve en iyi performansı sunar; damgalanmış parçalar için 1,0 mm'lik bir ped pratik seçimdir. Seçiminizi her zaman belirli yük ve çevre koşullarınız altında termal testlerle doğrulayın.
CNC işlemeli soğutucunuz veya damgalanmış metal montajınız için TIM seçimi konusunda ücretsiz mühendislik danışmanlığı için, 12 saatlik teklif için BQUQ ile iletişime geçin. Bize sc@bquq.com adresinden e-posta gönderin, WhatsApp'tan +86 13713157787 numarasına ulaşın veya www.bquq.com ad
