Nu uitați de materialele de interfață termică

În domeniul gestionării termice, se acordă o atenție deosebită ventilatoarelor, radiatoarelor și dispozitivelor Peltier, ceea ce îi poate face pe utilizatori să uite rapid de modul în care sunt asamblate aceste componente. Un material de interfață termică (TIM) este extrem de important pentru asigurarea unei performanțe optime a acestor alte tehnici de gestionare termică. Scopul TIM-urilor este de a ocupa micile goluri microscopice dintre două suprafețe neuniforme cu o substanță care are o conductivitate termică mai bună decât aerul. TIM-urile pot include diverse materiale utilizate pentru a îmbunătăți conductivitatea termică, asigurând un transfer eficient de căldură de la un element generator de căldură, cum ar fi un tranzistor de putere, la un disipator de căldură, cum ar fi un radiator, un răcitor termoelectric sau ambele. Acest articol va încerca să definească mai detaliat conductivitatea termică și impedanța termică, oferind în același timp o introducere la nivel înalt în ceea ce privește diferitele tipuri de TIM-uri disponibile pentru un inginer de proiectare.

Figura 1: O reprezentare de bază a unui TIM care umple golurile de aer dintre două suprafețe neuniforme. (Sursă imagine: Same Sky)

Prezentarea generală a conductivității termice

Pentru a înțelege pe deplin modul în care umplerea acestor goluri microscopice poate îmbunătăți transferul de căldură, este necesar să înțelegeți bine cum funcționează conductivitatea termică. Conductivitatea termică este o măsură a capacității unui material de a transmite căldura și nu depinde de dimensiunea unei anumite componente. În general, acest parametru este cuantificat în unități de putere împărțită la suprafața înmulțită cu temperatura, cum ar fi W/m°C sau W/m*K. Trebuie remarcat faptul că, întrucât o unitate pe scara Kelvin este echivalentă cu un grad Celsius, atunci când se efectuează calcule, este relevantă doar modificarea relativă a temperaturii, nu și valoarea absolută.

Atunci când este vorba de disiparea căldurii, întotdeauna se dorește o conductivitate termică mai mare. Materialele cu o conductivitate termică scăzută prezintă o rată scăzută de transfer de căldură, în timp ce materialele cu o conductivitate termică ridicată permit un transfer mai rapid de căldură. Pentru context, conductivitatea termică a aerului este de numai 0,0263 W/m*K, ceea ce reprezintă aproximativ două ordine de mărime sub cea a materialelor de interfață termică. Atunci când există goluri de aer între componentă și radiator, disiparea căldurii va fi îngreunată. Prin umplerea acestor goluri cu un TIM, care are o conductivitate termică semnificativ mai mare decât aerul, se obține un transfer de căldură mai eficient.

Prezentarea generală a rezistenței termice

Pe de altă parte, impedanța sau rezistența termică depinde în mare măsură de forma unei componente specifice și este exprimată în unități de temperatură împărțită la putere, adică grade Celsius pe Watt. Deși rezistența termică este acoperită în detaliu în blogurile Prezentarea generală a gestionării termice și Cum să alegeți un radiator de la Same Sky, vă oferim aici o scurtă recapitulare. Rezistența termică, notată în unități de C/W, determină cu câte grade Celsius se încălzește o joncțiune la fiecare watt de putere disipată. De exemplu, dacă o joncțiune care disipează 4 wați de putere are o rezistență de 10 C/W, temperatura acesteia va crește cu 40 de grade Celsius în raport cu temperatura ambiantă. Adesea, valoarea rezistenței termice este specificată pentru un anumit mediu și o anumită zonă, cum ar fi o capsulă TO-220 la aer fără un radiator.

Atunci când sunt integrate mai multe dispozitive împreună, se atribuie o nouă valoare a rezistenței termice. Totuși, această valoare a rezistenței termice presupune că există o conexiune perfectă între cele două suprafețe, ceea ce nu este întotdeauna cazul. În astfel de situații, se utilizează un material de interfață termică pentru a crea condiții cât mai apropiate de cele ideale. Deși acest lucru îmbunătățește transferul de căldură, adaugă un nivel de complexitate, deoarece rezistența termică a TIM trebuie să fie inclusă în calcule. Ar putea părea ironic faptul că, în timp ce materialul de interfață termică reduce rezistența termică dintre două obiecte, acesta are și propria sa rezistență termică. Această valoare nu este nesemnificativă, dar totuși reduce rezistența termică dintre două obiecte mult mai mult decât o crește. În funcție de tipul de TIM utilizat, această rezistență termică poate fi furnizată sau trebuie calculată pe baza grosimii TIM și a suprafeței pe care este aplicată.

Figura 2: Exemplu de trasee tipice de impedanță termică care ar putea fi luate în considerare într-o aplicație. (Sursă imagine: Same Sky)

Tipuri comune de materiale de interfață termică

Materialele de interfață termică, care pot lua forma unor geluri, unsori, paste și plăcuțe, oferă diverse soluții pentru a aborda provocările legate de gestionarea căldurii. Printre acestea, pastele de interfață termică, inclusiv gelurile și unsorile, sunt cunoscute pentru conductivitatea termică, flexibilitatea și capacitatea lor ridicată de a umple spații mai mari. Cu toate acestea, aplicarea pastei poate fi complicată, în special pe suprafețe neuniforme, și nu întotdeauna poate produce rezultate consecvente. Aplicarea excesivă poate duce la o reducere a eficienței generale, în timp ce aplicarea insuficientă poate compromite performanța interfeței termice. În plus, pastele pe bază de metal, care oferă o conductivitate termică superioară, pot crea pericole electrice dacă se varsă pe PCB. Pastele ceramice sau pe bază de carbon pot fi o alternativă mai sigură, dar eficiența lor termică poate să nu fie la fel de bună ca cea a opțiunilor pe bază de metal.

În schimb, plăcuțele termice sunt TIM-uri solide fabricate din silicon sau elastomeri non-siliconici, fiind disponibile și multe alte materiale. De exemplu, plăcuțele termice de la Same Sky sunt lipicioase în mod natural, izolate electric și au diferite grade de conductivitate termică, variind de la 1,0 la 6,0 W/m*K. Unul dintre principalele avantaje ale utilizării plăcuțelor de interfață termică în locul pastelor este ușurința cu care acestea se aplică. Plăcuțele termice de la Same Sky sunt tăiate în prealabil pentru a se potrivi cu profilurile dispozitivelor Peltier, ceea ce economisește timp și oferă mai multă comoditate în timpul asamblării, comparativ cu achiziția de foi mari de material pentru plăcuțe și tăierea lor la dimensiune. De asemenea, plăcuțele termice oferă o consecvență mai mare, implică mai puține reziduuri și sunt mai ușor de reutilizat decât pastele termice.

Cu toate acestea, în situațiile în care utilizatorii lucrează cu diverse dispozitive și dimensiuni, pasta termică rămâne o opțiune preferată datorită versatilității sale. De asemenea, pasta termică este populară în rândul pasionaților amatori, deoarece este ieftină și se găsește cu ușurință în tuburi mici, eliminând necesitatea unor măsurători și dimensionări precise. Acest lucru o face o opțiune convenabilă pentru proiecte mici și aplicații unice. Iată un scurt rezumat al diferitelor opțiuni TIM:

Tabelul 1: Rezumat al opțiunilor de materiale de interfață termică. (Sursa imaginii: Same Sky)

Concluzie

Gestionarea termică eficientă este o problemă complexă care necesită o serie de strategii și soluții. Este esențial să nu neglijăm importanța materialelor de interfață termică ca o componentă cheie a sistemului global. Indiferent dacă se află în stadiul de prototip, sunt în tranziție spre producție sau folosesc materiale de interfață termică pentru proiecte de bricolaj, înțelegerea motivelor pentru care acestea sunt necesare și a mecanismelor care stau la baza funcționalității lor poate face o diferență semnificativă în performanța termică a unui proiect.