Теплопроводящие материалы 3М

Чтобы радиатор эффективно работал, необходимо обеспечить его плотное прилегание к источнику нагрева. При выборе вариантов крепления радиатора рассматривают такие параметры, как цена, размер, вес, эффективность и др. Любой вариант крепления должен обеспечивать максимальный контакт двух поверхностей, но, с другой стороны, он не должен приводить к трещинам в плате и на корпусах компонентов.

Сегодня распространенными средствами крепления являются: металлические клипы, винты и клейкие подложки.
Металлические подпруживающие клипы обеспечивают простой и надежный способ крепления радиатора, они легко устанавливаются и легко снимаются. Регулировка усилия притяжения обеспечивается самим клипом, поэтому дополнительного инструментария не требуется. Однако они занимают пространство вокруг радиатора и могут препятствовать оттоку воздуха от радиатора.
Винтовое крепление транзистора к радиатору имеет одно «слабое место» - усилие затягивания винта. Клейкие теплопроводящие материалы сразу «убивают двух зайцев»: они улучшают теплообмен между транзистором и радиатором и одновременно обеспечивают их крепление. Поэтому в английском языке они называются не просто подложками, а термоинтерфейсами (TIM – thermal interface management).

Теплопроводящие материалы широко применяются в радиоэлектронной промышленности для монтажа теплоотводящих или терморегистрирующих устройств. Это могут быть модули охлаждения, термоиндикаторы, теплоотводящие детали из фольги, радиаторы силовых приборов и микроконтроллеров, усилители шлейфовых проводов и др. В качестве теплопроводных материалов применяются пасты и прокладки, однако сегодня на смену им приходят новые материалы. В теории эффективный теплоотвод зависит от баланса двух параметров: смачиваемость и проводимость материала.

Общая формула выглядит так:

Q = (k/t) A dT,
где
Q – теплоотдача в Вт
k – теплороводность Вт/м-К
А – площадь (100% смачиваемость) х % смачиваемости
t - толщина
dT – температура нагретой стороны – температура холодной стороны

Выбор того или иного теплопередающего материала (подложка, лента, паста.) основан на множестве факторов: мягкость, заполняемость рельефа, толщина, адгезивные свойства, смачиваемость, эффективное термосопротивление. Но при выборе теплопроводящего материала необходимо достичь баланса трех основных параметров.

Во-первых, это толщина. В большинстве случаев, чем тоньше материал, тем лучше. Однако, слишком тонкие теплопроводящие материалы имеют худшую смачиваемость, поскольку не могут должным образом заполнить все неровности поверхности.

Вторым ключевым параметром является смачиваемость контактной поверхности. Чем мягче материал, тем выше смачиваемость.

И последний параметр – это теплопроводность. В общем случае, чем выше она, тем лучше. При этом следует учитывать, что с повышением теплопроводности увеличивается жесткость подложки, поскольку увеличивается количество наполнителя в ней, а это может негативно сказаться на смачиваемости поверхности.

Основная задача разработчика заключается в поиске оптимального баланса между этими параметрами в зависимости от особенностей применения.

Сегодня на рынке представлено множество решений для теплоотвода, от жидкостей до лент и подложек. Сравним их основные преимущества и недостатки.

Материал	Теплопроводность (по отношению к воздуху)*	Преимущества	Недостатки	Серии 3М
Паста	20-185Х	Тонкие, недорогие Низкий импеданс Хорошая смачиваемость	Тяжелые Не имеют адгезии, поэтому требуется механическое усилие монтажа	TCG-2035/ TCG-2031
Жидкости	20-125Х	Низкий импеданс Высокая прочность соединения Хорошая смачиваемость	Тяжелые Небольшой срок хранения Требуют время отвердения и крепежной оснастки
Фазовые изменения	20-125Х	Хорошая смачиваемость Легче, чем пасты Низкий импеданс	Нет адгезии Требуют механического монтажа Требуют нагрева
Ленты	20-40Х	Хорошая смачиваемость Не требуют крепежа Простота использования	Обычно применения до 10-15 Вт	8810 8904
Подложки	35-200Х	Повышенная толщина Мягкие Хорошее заполнение неровностей	Малая адгезия Требуют дополнительного крепежа Стоимость	5590Н 5570 5574 5589
Жидкий металл	500-1000Х	Малая толщина Высокая теплопроводность Хорошее заполнение неровностей	Сложность нанесения Низкая вязкость в расплавленном состоянии Стоимость Коэффициент теплового расширения
Теплопроводные ленты	10-1000Х	Теплопроводность графита Мягкие Вырезка в любую форму Ремонтопригодные	80-90% от эффективности графитовой ленты	9876

* Теплопроводность воздуха 0,02Вт/м-К

Из сравнительной таблицы видно, что максимальный термоперенос обеспечивают жидкий металл и графитовые ленты. Например, жидкий металл ЖМ-6 имеет теплопроводность 34 Вт/(м•К), а оригинальный Coollaboratory Liquid Ultra в два раза выше. Но жидкий металл имеет значительные ограничения по возможностям монтажа. Во-первых, он наносится методом скальпирования, т.е. очень тонким слоем, обеспечить равномерность которого достаточно трудно. Если металл попадает на другие поверхности, очистить их уже практически невозможно. Во-вторых, его необходимо равномерно и плотно нанести на всю площадь, иначе эффективность охлаждения значительно снизится. Поэтому на неровных поверхностях, где возможно образование пустот, он работать не будет.

Компания 3М предлагает альтернативный вариант охлаждения кристаллов процессоров – акриловую подложку 5590Н. Она мягкая и обеспечивает дополнительные функции демпфера, ее можно удалить без последующей очистки. Теплопроводность составляет 3 Вт/(м•К).