Tarp karšto kasetinio šildytuvo paviršiaus ir kaitinimo plokštės angos sienelės plonas pastos arba tarpų užpildo sluoksnis yra vienintelis šilumos tiltas. Ši medžiaga, šiluminės sąsajos medžiaga (TIM), yra dviejų pagrindinių cheminių medžiagų grupių: klasikinių, minkštų, guminių silikonų ir naujesnių, kietesnių ir standesnių epoksidinių medžiagų. Pasirinkimas tarp jų yra šiluminių savybių, ilgalaikio stabilumo-mūšis ir gebėjimas prisitaikyti prie mikroskopinio, netaisyklingo tarpo. Suprasdamas,epoksidinė vs silikoninė TIM šiluminės varžos plokštėPalyginimas yra būtinas projektuotojams, ieškantiems patikimo, pakartotinio šilumos perdavimo pramoninėse šildymo sistemose.
Kas yra šiluminė varža ir kodėl ji svarbi?
Šiluminė varža (matuojama K·W⁻¹ arba ·W⁻¹ laipsniais) kiekybiškai parodo, kaip efektyviai medžiaga trukdo šilumos srautui. TIM sluoksnio bendra varža yra birių medžiagų atsparumo ir kontaktinių varžų abiejose sąsajose (šildytuvo-į-TIM ir TIM-į-plokštę) suma. Mažesnė šiluminė varža reiškia, kad tam tikram temperatūros skirtumui per sąsają perduodama daugiau šilumos. Pagrindiniai veiksniai, įtakojantys šiluminę varžą, yra šie:
Tūrinis šilumos laidumas (k)TIM (W/m·K)
Sukibimo linijos storis (BLT)- plonesnis yra geriau
Paviršiaus drėkinimas ir prisitaikymas– kaip gerai TIM užpildo mikroskopines asperitetas
Tiek epoksidinės, tiek silikoninės TIM yra suformuluoti su šilumai laidžiais keraminiais užpildais (pvz., aliuminio oksidu, cinko oksidu, boro nitridu arba aliuminio nitridu), kad padidintų jų šilumos laidumą. Tačiau jiems būdinga polimerų chemija lemia iš esmės skirtingas veikimo ir taikymo charakteristikas.
Silikono pagrindu pagaminti TIM: minkšti, suderinami ir atlaidūs
Silikono TIM paprastai tiekiami kaip nesukietėjusios pastos arba geliai. Sumontavus jie išlieka minkšti ir guminiai, nes jie arba nesukietėja (tepalai), arba sukietėja iki mažo modulio elastomero. Aukštos kokybės silikono TIM, įpilto cinko oksido arba boro nitrido, šilumos laidumas paprastai yra 1–5 W/m·K. Pagrindiniai jų pranašumai yra šie:
Puikus prisitaikymas– Minkšta pasta išsilieja į paviršiaus nelygumus, todėl net ir esant vidutiniam prispaudimo slėgiui pasiekiamas mažas kontaktinis pasipriešinimas. Chemiškai kietinti ar maišyti nereikia.
Lengvas pritaikymas ir perdirbimas– Silikoninius tepalus galima nuvalyti, o sąsają nuvalyti ir iš naujo sutepti nepažeidžiant šildytuvo ar plokštelės.
Platus temperatūros diapazonas– Daugelis silikoninių TIM veikia nepertraukiamai nuo –50 laipsnių iki +200 laipsnių, o kai kurios specialybės klasės siekia 300 laipsnių.
Tačiau silikoniniai TIM turi du reikšmingus apribojimus sudėtingose naudojimo srityse. Pirma, silikoniniai tepalai yra linkę „išsiurbti“ – ciklinis šiluminis plėtimasis ir susitraukimas gali lėtai išspausti tepalą iš sąsajos, laikui bėgant padidindamas sukibimo linijos storį ir šiluminę varžą. Antra, esant nuolat aukštai temperatūrai (virš 150–200 laipsnių), silikoninės alyvos bazė gali išgaruoti arba migruoti, todėl medžiaga išdžiūsta, įtrūksta ir praranda efektyvumą. Dėl šių priežasčių silikoninis TIM geriausiai tinka agregatams, kuriuos reikia periodiškai išardyti arba kur vyksta vidutinis temperatūros ciklas.
Epoksidiniai TIM: kieti, nuolatiniai ir termiškai stabilūs
Epoksidiniai TIM tiekiami kaip dviejų dalių (derva + kietiklis) arba vienos dalies (kietinamas karščiu) sistemos. Jie naudojami kaip skystis arba pasta, o po to kietinami kambario temperatūroje arba šiluma, kad susidarytų kietos, standžios, susietos kietos medžiagos. Epoksidinis TIM gali pasiekti šiek tiek didesnį tūrinį šilumos laidumą nei panašus silikoninis TIM, paprastai 3–8 W/m·K, nes epoksidinė medžiaga gali priimti didesnę užpildo apkrovą neprarandant konstrukcijos vientisumo. Dar svarbiau, kad sukietėjus epoksidinė medžiaga yra nuolatinis, tvirtas sluoksnis.
Svarbiausias epoksidinio TIM privalumas yra ilgalaikis stabilumas aukštesnėje temperatūroje. Sukietėjusi epoksidinė derva neišsiurbia, neišsikelia ir neišdžiūvo. Jis lieka mechaniškai užfiksuotas vietoje, išlaikant nuosekliai ploną sukibimo liniją net esant dideliam šiluminiam ciklui. Niekada neišardomai ir nepertraukiamai 150–200 laipsnių ar aukštesnėje temperatūroje dirbanti plokšte, sukietėjusi epoksidinė TIM dažnai užtikrina patikimiausią ir ilgalaikį veikimą. Silikonas yra minkštas, laikinas antklodė; epoksidinė medžiaga yra kieta, nuolatinė ir patikima terminio suvirinimo siūlė.
Kompromisas: kietumas ir suderinamumas
Tas pats tvirtumas, suteikiantis epoksidinių TIM stabilumą, taip pat sukuria jų pagrindinį trūkumą: jie yra kieti ir mažiau prisitaikantys nei silikonai. Esant mažam suspaudimo slėgiui, epoksidinis TIM lengvai nepatenka į paviršiaus šiurkštumą. Norint pasiekti ploną, mažo pasipriešinimo sukibimo liniją, jungiamieji paviršiai (šildytuvo kasetė ir plokštelės anga) turi būti tvirtesni mechaniniu būdu – lygesnė paviršiaus apdaila (pvz., Ra < 1,6 µm) ir mažesnis skersmens tarpas. Taip pat reikalingas didesnis suspaudimo arba surinkimo slėgis, kad nesukietėjusi epoksidinė medžiaga išspaustų į ploną sluoksnį, kol ji sukietėja. Jei paviršiai yra per šiurkštūs arba prigludimas per laisvas, epoksidinė medžiaga sukietės per stora sukibimo linija, o didesnis tūrinis laidumas negali kompensuoti papildomo pasipriešinimo.
Be to, epoksidinis TIM netinka. Sukietėjęs jo negalima nuvalyti be mechaninio trinties ar cheminio nuvalymo, dėl kurių abu gali sugadinti šildytuvą arba plokštelę. Bet koks išmontavimas reikalauja visiškai pakeisti šildytuvą ir galimai apdirbti plokštelės paviršių. Todėl epoksidiniai TIM yra nurodyti tik nuolatiniams, netinkamiems eksploatuoti agregatams, kurių ilgalaikis patikimumas nusveria taisymo poreikį.
Šiluminės varžos palyginimas: kiekybinis vaizdas
Silikoniniam tepalui, kurio k=3 W/m·K, tipinis sukibimo linijos storis po išsiurbimo gali būti 0,1 mm, todėl tūrinis atsparumas yra 0,033 K·W⁻¹ vienam cm². Standžios epoksidinės dervos, kurios k=6 W/m·K ir 0,05 mm tvirtesnė sukibimo linija (pasiekiama esant dideliam suspaudimo slėgiui ir lygiam paviršiui), tūrinis atsparumas yra 0,0083 K·W⁻¹ vienam cm² – keturis kartus mažesnis. Net ir pridėjus kontaktinę varžą (kurios yra mažesnės tinkamam silikonui), gerai suprojektuotame junginyje sukietėjusi epoksidinė derva vis tiek gali pasiekti 30–50 % mažesnę bendrą šiluminę varžą.
Tačiau jei epoksidinio sujungimo linija nėra plona – pavyzdžiui, 0,2 mm dėl prasto prigludimo – jos atsparumas tampa 0,033 K·W⁻¹/cm², identiškas silikono. Tokiu atveju epoksidinė medžiaga nesuteikia jokio šiluminio pranašumo ir praranda silikono tinkamumą naudoti. Taigi, inžinerinis sprendimas turi atsižvelgti į pasiekiamą jungties linijos storį, atsižvelgiant į mechanines plokštės ir šildytuvo leistinas nuokrypas.
Stabilumas aukštoje temperatūroje: lemiamas veiksnys
Nepertraukiamai dirbant aukštoje temperatūroje (pvz., 200 laipsnių kampu liejant arba apdorojant puslaidininkiais), silikoniniai tepalai dažnai suyra per kelis mėnesius. Bazinė alyva išgaruoja, užpildas nusėda ir medžiaga tampa sausa, įtrūkusia pluta, kuri veikia kaip šilumos izoliatorius, o ne laidininkas. Epoksidinis TIM, kuris yra termoreaktingas polimeras, nelakuoja ir neteka. Jo maksimali nepertraukiamo naudojimo temperatūra paprastai yra 180–220 laipsnių standartinėms klasėms, o specialūs epoksidiniai TIM gali būti iki 300 laipsnių. Tokiomis sąlygomis epoksidinės dervos šiluminė varža išlieka stabili daugelį metų, o silikono atsparumas laikui bėgant nuolat didėja. Epoksidinė danga yra geriausias pasirinkimas spausdinimo plokštėms, kurios turi išlaikyti tikslią vienodą temperatūrą be dažnos priežiūros.
Kiekvienos medžiagos taikymo gairės
| Turtas | Silikoninis TIM | Epoksidinė TIM |
|---|---|---|
| Forma | Pasta, gelis ar padas | Dviejų dalių skystis arba pasta |
| Kietėjimas | Nėra (tepalų) arba minkšto elastomero | Kietas, standus termoreaktingas |
| Tipinis k (W/m·K) | 1–5 | 3–8 |
| Atitikimas | Puikiai | Vargšas |
| Reikalingas paviršiaus šiurkštumas | Ra < 3,2 µm | Ra < 1,6 µm |
| Suspaudimo slėgis | Žemas (0,1–0,5 MPa) | Nuo vidutinio iki didelio (1–5 MPa) |
| Maksimali nuolatinė temp | 200 laipsnių (tepalas), 300 laipsnių (specialybė) | 220 laipsnių (standartinis), 300 laipsnių (specialybė) |
| Išsiurbimo pasipriešinimas | Žemas ar vidutinio sunkumo | Labai aukštas |
| Tinkamumas aptarnauti | Išvalykite ir užtepkite dar kartą | Nuolatinis, netinka naudoti |
| Tipiškos programos | Tvarkingi sąnariai, saikingas važiavimas dviračiu | Nuolatinis, aukštos temperatūros, nuolatinis veikimas |
Išvada: geriausia šiluminė sąsaja yra ta, kuri lieka plona ir nepažeista
Pasirinkimas tarp epoksidinės ir silikoninės TIM yra sprendimas tarp nuolatinio, stabilaus, aukštos temperatūros šilumos tiltelio ir minkštos, atlaidžios, tinkamos naudoti pastos. Vieną kartą surinktam plokštelei, kuri, kaip tikimasi, patikimai veiks ilgus metus be priežiūros, ypač esant aukštesnei nei 150 laipsnių temperatūrai, sukietėjusi epoksidinė TIM užtikrina mažesnę ir stabilesnę šiluminę varžą per visą įrangos eksploatavimo laiką. Tais atvejais, kai išmontavimas yra įprastas arba kai paviršiaus apdaila yra grubus, o suspaudimo slėgis mažas, silikoninis TIM užtikrina tinkamą veikimą ir patogumą perdirbti. Nė viena medžiaga nėra visuotinai pranašesnė; teisingas pasirinkimas visiškai priklauso nuo mechaninių leistinų nuokrypių, darbinės temperatūros ir šildymo mazgo priežiūros filosofijos. Geriausia šiluminė sąsaja yra ta, kuri išlieka plona ir nepažeista visą plokštelės eksploatavimo laiką, o daugeliui nenutrūkstamų, aukštos temperatūros programų ši sąsaja yra pagaminta iš epoksidinės dervos.
