Частые вопросы

Тепловое сопротивление и теплопроводность являются двумя важнейшими свойствами в процессе выбора теплопроводящего материала. Теплопроводящие материалы – это группа материалов с улучшенными тепловыми характеристиками, они работают как пассивные переносчики тепла в электронных устройствах. Они переносят избыточное тепло из высокотемпературной области электронного устройства к радиатору или рассеивателю, предотвращая повреждение или неисправность из-за перегрева.

Характеристики такого материала напрямую связаны с его теплопроводностью и тепловым сопротивлением. Понимание этих процессов теплообмена необходимо для определения полного потенциала теплопроводящих материалов для защиты электронных устройств от перегрева.

Рисунок 1: Схема, иллюстрирующая функцию теплопроводящего материала и его влияние на регулирование температуры.

Теплопроводность

Несмотря на то что теплопроводность представляет собой только половину уравнения в описании характеристик теплопроводящего материала, этот показатель широко используется в ряде отраслей промышленности для описания способности материала проводить тепло. Теплопроводность возникает из-за движения и колебаний молекул без какого-либо фактического перемещения материала.

Теплопроводность материала зависит от нескольких факторов, включая температурный градиент (разность температур между объектом с более высокой температурой и объектом с более низкой температурой), молекулярные и атомные свойства материала, а также от длины пути, который проходит тепло, прежде чем этот путь будет прерван другим твердым телом с другим значением проводимости.

Рисунок 2: Наглядное представление теплопередачи между двумя материалами различного термического состава

Теплопроводность материала обозначается в ваттах на метр кельвин Вт/(м/К). Материалы и вещества, классифицируемые как "хорошие проводники", такие как медь и алюминий, имеют значение теплопроводности в диапазоне 200-400 Вт/(м/К). Плохими проводниками часто являются газы или высокопористые материалы, в том числе атмосферный воздух, который имеет чрезвычайно низкую теплопроводность — примерно 0,024 Вт/(м/К).

Воздух часто используется в теплоизоляционных веществах, таких как пенополистирол и строительная изоляция, чтобы предотвратить движение тепла через них. Теплопроводность является критически важным свойством материала и не зависит от размера, формы или толщины материала, поскольку она в первую очередь определяется эффективностью теплопередачи из-за случайного движения молекул при наличии температурного градиента.

Таблица теплопроводности распространенных материалов.

Тепловое сопротивление

Чтобы разобраться в вопросе теплового сопротивления, полезно иметь краткое представление о тепловом сопротивлении или обратной теплопроводности. Тепловое сопротивление отражает способность материала сопротивляться прохождению через него тепла и напрямую связано с толщиной материала.

Для сравнения относительных характеристик материалов различной толщины мы определяем их тепловое сопротивление в единицах измерения М2К/Вт. Тепловое сопротивление рассчитывается путем деления толщины материала на его теплопроводность. Как правило, чем ниже тепловое сопротивление, тем лучше, поскольку снижается сопротивление теплопередаче. Это говорит о том, что при выборе материала нельзя руководствоваться только лишь одним значением теплопроводности. Толщина используемого теплопроводящего материала играет ключевую роль, и она должна быть минимальной. Иначе вы либо переплатите за более дорогой материал с высоким значением теплопроводности, либо снизите отвод тепла в своём изделии, либо столкнётесь сразу с обоими вышеуказанными проблемами.

Контактное сопротивление является еще одним важным свойством материала, которое следует учитывать, и оно характерно для интерфейсов, где теплопроводящий материал используется вместе с тепловыделяющим компонентом радиатора. Поскольку практически невозможно, чтобы эти компоненты прилегали на 100%, между двумя материалами всегда будут присутствовать определенные пустоты и щели, которые снижают полную эффективность теплопередачи. Наличие небольших полостей и воздушных зазоров между двумя материалами влияет на их контактное сопротивление, поскольку воздух является чрезвычайно плохим проводником тепла.

Тепловой импеданс

Тепловой импеданс — это сумма всех значений теплового сопротивления и контактного сопротивления. Материал с высоким тепловым импедансом является плохим проводником тепла из-за более высокого теплового сопротивления и контактного сопротивления, которым обладает материал. Это связано с рядом факторов, препятствующих передаче тепла, включая шероховатость поверхности, давление прижима, наличие адгезии, неоднородность материала и его толщина. Поскольку тепловой импеданс зависит от целого ряда различных физических факторов, он, таким образом, дает более целостное представление об эффективности материала и отвечает на вопрос, является ли материал ускорителем или препятствием при прохождении тепла в электронном устройстве.

Таким образом, при сравнении эффективности теплопроводящего материала более целесообразно сравнивать теплопроводность и тепловой импеданс материала, а не ограничивать анализ свойств материала только тепловым сопротивлением, тепловым импедансом или теплопроводностью по отдельности. Особенно в случае применения в мощной электронике. Плохая терморегуляция и эффективность теплопроводящего материала может пагубно сказаться на успешной работе устройства. Понимание ключевых характеристик и процессов измерения как теплового импеданса, так и теплопроводности может помочь обеспечить безопасность и долговечность работы электронного устройства.

Помните, что частота отказов электронных устройств удваивается при повышении температуры соединения микросхем на каждые 10°C!

Теплопроводящие материалы или термоинтерфейсы — это общее название, используемое для описания любого материала, используемого между двумя элементами для улучшения теплопередачи между ними. Данные материалы используются между источником тепла и устройством отвода тепла (например, радиатором) заполняя небольшие воздушные зазоры и обеспечивая идеальный контакт между компонентами. Это значительно улучшает теплоотдачу, уменьшает термическое сопротивление и способствует охлаждению электронных изделий.

На рынке представлено множество различных теплопроводящих материалов. Существуют пасты из различных жидких полимеров, прокладки из кермики, алюминия, графита или силикона, ленты, припои, гели и многое другое. Из всех этих вариантов наиболее распространенными формами являются прокладки и пасты, в то время как наиболее распространенным материалом основы является силикон. Эффективность того или иного термоинтерфеса зависит от его состава, технологии производства и соответствия конкретной задаче.

Если вам необходима помощь в подборе теплопроводящего материала, пожалуйста, свяжитесь со специалистом ЕВРОЛИНИИ

• Теплопроводность определяется в ваттах на метр Кельвина (Вт/мК). Это показатель того, сколько тепла может рассеять данный материал с течением времени. Чем выше это значение, тем больше тепла может проходить через материал.
• Способность материала заполнять воздушные зазоры в сборке не менее важна, чем теплопроводность. Это зависит от того, насколько материал мягкий/вязкий. Этот параметр определяет, насколько хорошо материал может распределяться, заполняя любые пространства, которые в противном случае были бы заняты воздухом, который плохо проводит тепло.
• Толщина. Чем меньше требуемая толщина материала, тем ниже тепловое сопротивление, тем быстрее будет происходить отвод тепла.

• Чистота в производственном процессе – несмотря на то что термопаста или компаунд отлично заполняют пустоты в процессе производства, их нанесение может быть затруднительным. В таком случае лучше использовать листы или прокладки для удобства укладки.
• Стоимость. В целом, чем выше теплопроводность материала, тем выше его стоимость. Это в основном зависит от того, какие типы теплопроводных наполнителей используются в материале.
• Сжатие. Для достижения оптимального прилегания материала его необходимо подвергать определенному давлению. Более мягкие материалы обычно требуют меньшего давления для эффективного использования.

Теплоотвод (радиатор) обычно изготавливается из цельного куска металла, который обладает гораздо более высокой объемной теплопроводностью, чем любой теплопроводящий материал. На микроскопическом уровне поверхность раздела между компонентом и теплоотводом, вероятно, будет неровной, и воздух будет задерживаться в этом пространстве. Воздух является очень плохим проводником тепла, поэтому для устранения этих воздушных карманов и, следовательно, улучшения теплопроводности поверхности раздела применяется промежуточный слой материала.

Теплопроводящий материал достигает оптимальной толщины, когда удаляется весь воздух и образуется однородная пленка, увеличивающая площадь контакта компонента с теплоотводом. Все, что превышает этот показатель, зависит от теплопроводности самого теплопроводящего материала. А как мы знаем, он и близко не обладает такой теплопроводностью, как твердый металл. Итак, главное правило таково: наносите ровно столько, сколько требуется для удаления воздуха и улучшения качества сопрягаемых поверхностей. Таким образом, вы добьетесь наиболее эффективной теплопередачи между компонентом и его радиатором.

Следующие параметры необходимы для эффективного отвода тепла в электронных устройствах:

• Материал с высокой теплопроводностью
• Идеальное прилегание теплопроводящего материала
• Слой материала должен быть как можно более тонким
• В теплопроводящем материале должны отсутствовать пустоты или поры

Наиболее важным фактором является устранение пустот вдоль поверхностей прилегания. Важно, чтобы материал на стыке поверхностей был надлежащей толщины и не допускал деформации поверхностей. Только при достаточной толщине и эластичности материала на стыке двух поверхностей можно устранить скопление воздуха.

Более высокая объемная теплопроводность материала является лишь признаком того, что возможно более низкое тепловое сопротивление. Это не всегда напрямую связано с эффективным отводом тепла. Тестирование - единственный способ подтвердить эффективный отвод тепла.

Сопротивление теплового интерфейса связано с рассеянием фононов и, следовательно, не может быть полностью предсказуемо в зависимости от теплопроводности каждой части компонентов.

Теплопроводящий материал, обеспечивающий наименьшее тепловое сопротивление, имеет решающее значение для производительности и надежности электронных устройств. 

• Не совсем.
• Иногда поверхностное напряжение, возникающее из-за теплового расширения во время термоциклирования, может изменить первоначальные показатели теплопроводности.
• Механическое напряжение и воздействие со временем может приводить к образованию пустот вдоль границ прилегания. Надежность и срок службы устройства сокращаются из-за увеличения сопротивления теплового интерфейса и температуры соединения силовых устройств. Проблемы возникают, когда поверхностные напряжения высоки из-за использования клеев с высокой прочностью сцепления и высоким модулем упругости.
• Иногда термогели “выкачиваются” из межфазных зон и таким образом создают пустоты. Это приводит к повышению температуры соединения и сокращению срока службы силового устройства. Эластичная прокладка с высокой молекулярной массой, которая должным образом устраняет скопление воздуха на поверхности границ прилегания, будет работать так же, как и гель.
• Теплопроводящие материалы, которые остаются гибкими на всех этапах эксплуатации от холодного до горячего, более надежны, чем материалы, которые являются твердыми в холодных условиях и становятся более текучими в горячих.
• В целом отсутствие напряжений на стыке между теплопроводящим материалом, поверхностью силового устройства и поверхностью теплоотвода имеет решающее значение для долгосрочной надежности устройства.

Теплопроводность образца может резко изменяться при изменении его температуры. Поскольку передача тепла через материал зависит от движения его молекул, температура существенно влияет на этот процесс.

При более высоких температурах молекулы перемещаются быстрее, что приводит к более эффективной передаче тепла через материал. Понимание того, как температура влияет на теплопроводность, критически важно для обеспечения правильного функционирования изделий при различных термических условиях. Это особенно актуально для устройств, выделяющих тепло, таких как электроника, а также при разработке материалов для минимизации рисков безопасности, включая противопожарные и теплозащитные материалы.

Важно отметить, что эффект температуры на теплопроводность различен для разных типов материалов:

• Металлы. Теплопроводность в основном обусловлена свободными электронами в металлах. У многих чистых металлов наивысшая точка теплопроводности наблюдается при очень низких температурах. С повышением температуры теплопроводность металлов обычно снижается из-за увеличенного рассеяния фононов, что уменьшает длину свободного пробега электронов.
• Неметаллы. В неметаллических твердых телах теплопроводность в основном зависит от фононов. В отличие от металлов, температурный коэффициент теплопроводности неметаллов обычно не снижается с повышением температуры, за исключением некоторых кристаллов при низких температурах, где рассеяние на дефектах может уменьшить теплопроводность.
• Газы. Теплопроводность газов увеличивается с повышением температуры из-за увеличения скорости движения молекул, которое является основой этого процесса. Увеличение скорости частиц приводит к увеличению теплопроводности, позволяя теплу передаваться с меньшим сопротивлением.
• Фазовые переходы. При переходе материала из твердого состояния в жидкое его теплопроводность может сильно измениться. Например, при таянии льда его теплопроводность снижается. Подобные изменения также могут наблюдаться при фазовых переходах в жидкости, особенно близко к критической точке.
• Анизотропные материалы. Некоторые материалы обладают анизотропной теплопроводностью, то есть её значением вдоль разных осей кристалла может отличаться. Например, у сапфира теплопроводность зависит от ориентации и температуры, имея разные значения вдоль различных осей.

• Толщина. Толщина вашего материала может влиять на скорость передачи тепла. Более толстые материалы, как правило, обладают более высокой термостойкостью.
• Плотность. Материалы с более высокой плотностью часто имеют более высокую теплопроводность, поскольку молекулы или атомы расположены более плотно и могут более эффективно передавать тепло.
• Давление. Внешнее давление на образец может влиять на тепловое сопротивление газов и некоторых жидкостей, поскольку оно изменяет плотность, что влияет на характеристики теплопередачи.
• Содержание влаги. Материал с более высоким содержанием влаги может увеличить теплопроводность, поскольку вода обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух.
• Фаза материала. Твердая, жидкая, газообразная существенно влияет на теплопроводность. Например, при таянии лед превращается в жидкую воду, и его теплопроводность значительно снижается.
• Скорость воздушного потока. Движение воздуха или жидкости через материал или вокруг него может повлиять на теплопроводность.
• Старение материалов. Со временем материалы могут претерпевать физические и химические изменения, такие как разрушение или уплотнение, что также может повлиять на уровень теплопроводности.
• Длина кристаллической решетки. В таких материалах, как графен, длина кристаллической решетки и состояние краевых окончаний могут влиять на теплопроводность. Большая длина кристалла и определенные края могут способствовать лучшей теплоотдаче.