Vergeet de thermische interfacematerialen niet

Op het gebied van thermisch beheer wordt veel aandacht besteed aan ventilatoren, koellichamen en Peltier-apparaten, waardoor gemakkelijk kan worden vergeten hoe deze componenten zijn samengesteld. Een Thermal Interface Material (TIM) is van het grootste belang voor optimale prestaties van deze andere thermische beheerstechnieken. Het doel van TIM's is de kleine, microscopische holten tussen twee niet-uniforme oppervlakken te vullen met een stof die een betere warmtegeleiding heeft dan lucht. TIM's kunnen bestaan uit diverse materialen die worden gebruikt om de warmtegeleiding te verbeteren, zodat een efficiënte warmteoverdracht plaatsvindt van een warmteopwekkend element zoals een vermogenstransistor naar een warmteafleider zoals een koellichaam, thermo-elektrische koeler of beide. In dit artikel worden warmtegeleiding en impedantie nader gedefinieerd en wordt een inleiding gegeven op de verschillende soorten TIM's die beschikbaar zijn voor ontwerpers.

Figuur 1: Een basisweergave van een TIM die luchtlekken vult tussen twee niet-uniforme oppervlakken. (Bron afbeelding: Same Sky)

Overzicht warmtegeleiding

Om volledig te begrijpen hoe het opvullen van deze microscopische holten de warmteoverdracht kan verbeteren, is een duidelijk begrip van warmtegeleiding essentieel. Het warmtegeleidingsvermogen is een maat voor het vermogen van een materiaal om warmte door te geven en is niet afhankelijk van de grootte van een bepaald onderdeel. Deze parameter wordt over het algemeen gekwantificeerd in eenheden van vermogen gedeeld door oppervlakte maal temperatuur, zoals W/m°C of W/m*K. Aangezien één eenheid op de schaal van Kelvin gelijk is aan één graad Celsius, is bij berekeningen alleen de relatieve temperatuurverandering van belang, niet de absolute waarde.

Als het gaat om warmteafvoer, is een hoger warmtegeleidingsvermogen altijd wenselijker. Materialen met een laag warmtegeleidingsvermogen vertonen een lage snelheid van warmteoverdracht, terwijl materialen met een hoog warmtegeleidingsvermogen een snellere warmteoverdracht mogelijk maken. Het warmtegeleidingsvermogen van lucht is slechts 0,0263 W/m*K, ongeveer twee orden van grootte lager dan dat van thermische interfacematerialen. Wanneer er luchtspleten aanwezig zijn tussen het onderdeel en het koellichaam, wordt de warmteafvoer belemmerd. Door deze holten te vullen met een TIM, dat een aanzienlijk groter warmtegeleidingsvermogen heeft dan lucht, wordt een efficiëntere warmteoverdracht bereikt.

Overzicht warmteweerstand

Thermische impedantie of weerstand daarentegen is sterk afhankelijk van de vorm van een specifiek onderdeel en wordt uitgedrukt in eenheden van temperatuur gedeeld door vermogen, d.w.z. graden Celsius per Watt. Hoewel de thermische weerstand in detail wordt behandeld in de blogs Overview of Thermal Management en How to Select a Heatsink van Same Sky, volgt hier een korte samenvatting. De warmteweerstand, uitgedrukt in eenheden van C/W, bepaalt hoeveel graden Celsius warmer een verbinding wordt per watt gedissipeerd vermogen. Als bijvoorbeeld een knooppunt dat 4 watt vermogen afgeeft een weerstand heeft van 10 C/W, zal de temperatuur met 40 graden Celsius stijgen ten opzichte van de omgevingstemperatuur. Vaak wordt de warmteweerstandswaarde opgegeven voor een specifiek medium en gebied, zoals een TO-220 verpakking tegen lucht zonder koellichaam.

Wanneer verschillende apparaten samen worden geïntegreerd, wordt een nieuwe warmteweerstandswaarde toegekend. Deze warmteweerstandswaarde veronderstelt echter een perfecte verbinding tussen de twee oppervlakken, wat niet altijd het geval is. In dergelijke situaties wordt een thermisch interfacemateriaal gebruikt om de ideale omstandigheden zo dicht mogelijk te benaderen. Dit verbetert weliswaar de warmteoverdracht, maar maakt het ook complexer omdat de thermische weerstand van het TIM dan in de berekeningen moet worden opgenomen. Het lijkt misschien ironisch dat, terwijl het thermische interfacemateriaal de thermische weerstand tussen twee voorwerpen vermindert, het ook zijn eigen thermische weerstand bezit. Deze waarde is niet onbeduidend, maar vermindert de warmteweerstand tussen twee voorwerpen toch aanzienlijk meer dan hij eraan toevoegt. Afhankelijk van het gebruikte type TIM kan deze thermische weerstand worden geleverd of moet deze worden berekend op basis van de dikte van het TIM en het oppervlak waarover het wordt aangebracht.

Figuur 2: Voorbeeld van de typische thermische impedantiepaden die in een toepassing kunnen worden overwogen. (Bron afbeelding: Same Sky)

Gemeenschappelijke soorten thermisch interfacemateriaal

Thermische interfacematerialen, die de vorm kunnen aannemen van gels, vetten, pasta's en pads, bieden diverse oplossingen voor de uitdagingen op het gebied van warmtebeheer. De thermische interfacepasta's, waaronder gels en vetten, staan bekend om hun hoge thermische geleidbaarheid, flexibiliteit en vermogen om grotere openingen te vullen. Het aanbrengen van pasta kan echter ingewikkeld zijn, vooral op oneffen oppervlakken, en levert niet altijd consistente resultaten op. Te veel aanbrengen kan leiden tot een vermindering van de algemene doeltreffendheid, terwijl onvoldoende aanbrengen de prestaties van de thermische interface in gevaar kan brengen. Bovendien kunnen op metaal gebaseerde pasta's, die een superieure thermische geleiding bieden, elektrische risico's opleveren als zij op de printplaat terechtkomen. Pasta's op basis van keramiek of koolstof kunnen een veiliger alternatief zijn, maar hun thermische efficiëntie is mogelijk minder goed dan die van opties op basis van metaal.

Thermische pads daarentegen zijn vaste TIM's van siliconen- of niet-siliconenelastomeren, waarbij ook vele andere materialen verkrijgbaar zijn. De thermische pads van Same Sky zijn bijvoorbeeld van nature kleverig, elektrisch geïsoleerd en hebben verschillende warmtegeleidingswaarden, gaande van 1,0 tot 6,0 W/m*K. Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van thermische interfacepads in plaats van pasta's is het gebruiksgemak. De thermische pads van Same Sky zijn voorgesneden om de profielen van hun Peltier-apparaten aan te passen, wat tijd bespaart en meer gemak biedt tijdens de assemblage in vergelijking met het kopen van grote vellen padmateriaal en het op maat snijden ervan. Thermische pads bieden ook een grotere consistentie, minder geknoei en zijn beter herbruikbaar dan thermische pasta's.

In situaties waarin gebruikers te maken hebben met verschillende apparaten en afmetingen, blijft thermische pasta echter een voorkeursoptie vanwege zijn veelzijdigheid. Thermische pasta is ook populair bij hobbyisten, omdat het goedkoop is en gemakkelijk verkrijgbaar in kleine buisjes, zodat nauwkeurige metingen en afmetingen niet nodig zijn. Dit maakt het een handige optie voor kleine projecten en eenmalige toepassingen. Hier volgt een kort overzicht van de verschillende TIM-opties:

Tabel 1: Overzicht van de materiaalopties voor de thermische interface. (Beeldbron: Same Sky)

Conclusie

Efficiënt warmtebeheer is een complex probleem dat een reeks strategieën en oplossingen vereist. Het is van cruciaal belang dat het belang van thermische interfacematerialen als essentieel onderdeel van het totale systeem niet over het hoofd wordt gezien. Of het nu gaat om prototypes, de overgang naar productie of het gebruik van thermische interfacematerialen voor doe-het-zelfprojecten, inzicht in de redenen voor hun noodzaak en de mechanismen achter hun functionaliteit kan een aanzienlijk verschil uitmaken voor de thermische prestaties van een ontwerp.