Nie zapominaj o materiałach termoprzewodzących

W dziedzinie odprowadzania ciepła wiele uwagi poświęca się wentylatorom, radiatorom i urządzeniom Peltiera, przez co łatwo jest zapomnieć o sposobie montażu tych komponentów. Z punktu widzenia zapewnienia optymalnych parametrów termicznych technik odprowadzania ciepła ogromne znaczenie ma materiał termoprzewodzący (TIM). Celem materiału termoprzewodzącego (TIM) jest wypełnienie mikroskopijnych pustych przestrzeni między dwiema niejednolitymi powierzchniami przy użyciu substancji, która charakteryzuje się lepszą przewodnością cieplną niż powietrze. Materiały termoprzewodzące (TIM) mogą składać się z różnych materiałów wykorzystywanych w celu zwiększenia przewodności cieplnej przy zapewnieniu efektywnej wymiany ciepła z elementu generującego ciepło, takiego jak tranzystor mocy do rozpraszacza ciepła, np. radiatora, chłodnicy termoelektrycznej lub układu obu tych komponentów. W niniejszym artykule przedstawiamy bardziej szczegółowe definicje przewodności i impedancji cieplnej, podając jednocześnie wartościowe informacje podstawowe na temat różnych typów materiałów termoprzewodzących (TIM) dostępnych dla projektantów.

Ilustracja 1: uproszczone przedstawienie wypełniania materiałem termoprzewodzącym (TIM) szczelin powietrznych pomiędzy dwiema niejednolitymi powierzchniami. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Podstawowe informacje o przewodności cieplnej

Aby w pełni zrozumieć, w jaki sposób wypełnienie wspomnianych mikroskopijnych pustek może poprawić wymianę ciepła, niezbędne jest pełne zrozumienie koncepcji przewodności cieplnej. Przewodność cieplna jest miarą zdolności materiału do transferu ciepła i nie jest zależna od wielkości danego komponentu. Wartość tego parametru jest ogólnie podawana w jednostkach mocy podzielonej przez pole powierzchni pomnożonej przez temperaturę, np. W/m°C lub W/mK. Należy zauważyć, że ponieważ jedna jednostka w skali Kelvina odpowiada jednemu stopniowi Celsjusza, przy dokonywaniu obliczeń istotna jest jedynie względna zmiana temperatury, a nie wartość bezwzględna.

Jeśli chodzi o rozpraszanie ciepła, zawsze bardziej pożądana jest większa przewodność cieplna. Materiały o niskiej przewodności cieplnej wykazują niską szybkość wymiany ciepła, natomiast materiały o wysokiej przewodności cieplnej - wyższą. Dla porównania przewodność cieplna powietrza wynosi zaledwie 0,0263W/mK, czyli około dwóch rzędów wielkości mniej niż materiałów termoprzewodzących. Jeśli między komponentem a radiatorem występują szczeliny powietrzne, rozpraszanie ciepła będzie utrudnione. Dzięki wypełnieniu tych pustek materiałem termoprzewodzącym (TIM), który charakteryzuje się znacznie większą przewodnością cieplną niż powietrze, uzyskuje się efektywniejszą wymianę ciepła.

Podstawowe informacje o oporze cieplnym

Z drugiej strony, impedancja cieplna czy też opór cieplny, jest w dużym stopniu zależna od kształtu określonego komponentu i jest wyrażana w jednostkach temperatury podzielonej przez moc, tj. stopniach Celsjusza na wat. Opór cieplny został szczegółowo omówiony w artykułach Podstawowe informacje o odprowadzaniu ciepła oraz Dobór radiatorów opublikowanych przez firmę Same Sky. Poniżej znajduje się krótkie ich podsumowanie. Opór cieplny, wyrażany w jednostkach C/W, określa, o ile stopni Celsjusza wzrasta temperatura złącza na każdy wat rozproszonej mocy. Na przykład, jeśli złącze rozpraszające 4W mocy charakteryzuje się oporem 10C/W, jego temperatura wzrośnie o 40 stopni Celsjusza w stosunku do temperatury otoczenia. Często wartość oporu cieplnego jest podawana dla określonego medium i obszaru, np. obudowy TO-220 do powietrza bez radiatora.

W przypadku zintegrowania kilku urządzeń w jedno, całemu zespołowi przypisuje się nową wartość oporu cieplnego. Jednak przy takiej wartości oporu cieplnego zakłada się idealne połączenie obu powierzchni, co nie zawsze ma miejsce. W takich sytuacjach do stworzenia warunków możliwie najbardziej zbliżonych do idealnych wykorzystuje się materiał termoprzewodzący. Chociaż poprawia to wymianę ciepła, zwiększa również stopień złożoności, ponieważ opór cieplny materiału termoprzewodzącego (TIM) trzeba później uwzględnić w obliczeniach. Jakkolwiek ironiczne to nie zabrzmi, mimo iż materiał termoprzewodzący zmniejsza opór cieplny między dwoma elementami, sam też posiada własny opór cieplny. Jego wartość nie jest pomijalna, ale mimo to zmniejsza opór cieplny między dwoma elementami, a nie go powiększa. W zależności od rodzaju zastosowanego materiału termoprzewodzącego (TIM) opór cieplny może być podany lub trzeba go obliczyć na podstawie grubości materiału i pola powierzchni, na której jest stosowany.

Ilustracja 2: przykład typowych ścieżek impedancji cieplnej, które można wykorzystać przy projektowaniu. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Typowe rodzaje materiału termoprzewodzącego

Materiały termoprzewodzące, które mogą przyjmować formę żeli, smarów, past i okładzin, stanowią różnorodne rozwiązania pozwalające poradzić sobie z problemami związanymi z odprowadzaniem ciepła. Pasty termiczne (w tym także żele i smary) znane są z wysokiej przewodności cieplnej, elastyczności i zdolności wypełniania większych szczelin. Nakładanie może być jednak skomplikowane, szczególnie na nierównych powierzchniach i może nie zawsze przynosić powtarzalne rezultaty. Nałożenie nadmiernej ilości może prowadzić do zmniejszenia ogólnej sprawności urządzenia, natomiast niewystarczającej - zagrozić parametrom działania złącza termicznego. Ponadto pasty na bazie metali, które zapewniają lepszą przewodność cieplną, mogą stwarzać zagrożenia elektryczne, jeśli rozleją się na płytkę drukowaną. Bezpieczniejszą alternatywą mogą być pasty ceramiczne lub na bazie węgla, ale ich sprawność cieplna może nie być tak dobra jak wersji na bazie metali.

Z kolei okładziny termiczne to materiały termoprzewodzące (TIM) w stanie stałym wykonane z elastomerów silikonowych lub niesilikonowych oraz wielu innych materiałów. Na przykład okładziny termiczne firmy Same Sky charakteryzują się naturalną lepkością, są izolowane elektrycznie i posiadają różne przewodności cieplne w zakresie od 1,0 do 6,0W/mK. Jedną z głównych zalet stosowania okładzin termicznych zamiast past jest łatwość ich nakładania. Okładziny termiczne firmy Same Sky są wstępnie ponacinane w taki sposób, aby odpowiadały profilom pasujących do nich urządzeń Peltiera, co pozwala zaoszczędzić czas i zapewnia większą wygodę podczas montażu w porównaniu do zakupu dużych arkuszy materiału okładziny i cięcia na wymiar. Okładziny termiczne zapewniają również większą powtarzalność, mniej zabrudzeń i można je wykorzystywać ponownie więcej razy niż pasty termiczne.

Jednak w sytuacjach, w których użytkownicy mają do czynienia z różnymi urządzeniami i rozmiarami, preferowaną opcją pozostaje pasta termiczna ze względu na jej uniwersalność. Pasta termiczna jest również popularna wśród hobbystów, ponieważ jest niedroga i łatwo dostępna w małych tubkach, co eliminuje konieczność dokonywania precyzyjnych pomiarów i wymiarowania. Dzięki temu jest to wygodna opcja do małych projektów i jednorazowych zastosowań. Oto krótkie podsumowanie różnych opcji materiałów termoprzewodzących (TIM):

Tabela 1: podsumowanie opcji materiałów termoprzewodzących. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Efektywne odprowadzanie ciepła jest trudne i wymaga zastosowania szeregu strategii i rozwiązań. Ważne jest, aby nie bagatelizować znaczenia materiałów termoprzewodzących jako kluczowych elementów całego układu. Czy to na etapie prototypowania, przystępowania do produkcji, czy jedynie wykorzystując materiały termoprzewodzące do zastosowań hobbystycznych, zrozumienie dlaczego są niezbędne oraz zrozumienie mechanizmów odpowiadających za ich funkcjonalność może znacząco wpłynąć na parametry termiczne projektu.