Glöm inte bort termiska gränssnittsmaterial

När det gäller värmehantering ägnas mycket uppmärksamhet åt fläktar, kylflänsar och Peltier-element och det kan vara lätt att glömma bort hur dessa komponenter är sammansatta. Ett termiskt gränssnittsmaterial (TIM) har ytterst stor betydelse för att ge optimal prestanda av dessa andra tekniker för värmehanterings. Syftet med termiska gränssnittsmaterial är att fylla de små, mikroskopiska hålrummen mellan två ojämna ytor med ett ämne som har bättre värmeledningsförmåga än luft. Termiska gränssnittsmaterial kan bestå av olika material som används för att förbättra värmeledningsförmågan, för att garantera en effektiv värmeöverföring från en värmealstrande enhet som t.ex. en effekttransistor till en värmeavledare som en kylfläns, en termoelektrisk kylare eller både och. Artikeln definierar värmeledningsförmåga och impedans mer i detalj och ger samtidigt en grundläggande detaljerad information om de olika typer av termiska gränssnittsmaterial som är tillgängliga för konstruktörer.

Figur 1: En enkel presentation av ett termiskt gränssnittsmaterial som fyller ut luftfickor mellan två ojämna ytor. (Bildkälla: Same Sky)

Översikt över värmeledningsförmåga

För att fullt ut förstå hur utfyllningen av dessa mikroskopiska hålrum kan förbättra värmeöverföringen är det viktigt att ha en tydlig förståelse för värmeledningsförmåga. Värmeledningsförmåga är ett mått på ett materials förmåga att överföra värme och är inte beroende av storleken på en särskild komponent. Denna parameter fastställs generellt i effektenheter dividerat med area gånger temperatur, som t.ex. W/m °C eller W/m × K. Det bör noteras att eftersom en enhet på Kelvinskalan motsvarar en grad Celsius är det vid beräkningar endast den relativa temperaturförändringen som är relevant, inte det absoluta värdet.

När det gäller värmeavledning är högre värmeledningsförmåga alltid mer önskvärt. Material med låg värmeledningsförmåga uppvisar en låg värmeöverföring, medan material med hög värmeledningsförmåga möjliggör en snabbare värmeöverföring. I sammanhanget, är värmeledningsförmågan för luft bara 0,0263 W/m × K vilket är ungefär två storleksordningar mindre än det för termiska gränssnittsmaterial. När det finns luftfickor mellan komponenten och kylflänsen hindras värmeavledningen. Genom att fylla utrymmena med ett termiskt gränssnittsmaterial, som har en betydligt högre värmeledningsförmåga än luft, uppnås en effektivare värmeöverföring.

Översikt över värmeresistans

Å andra sidan är termisk impedans eller termisk resistans starkt beroende av formen på en specifik komponent och uttrycks i temperaturenheter dividerat med effekt, dvs. °C/W. Termisk resistans behandlas i detalj i bloggarna Översikt av termisk hantering och Hur man väljer en kylfläns från Same Sky, men här följer en snabb sammanfattning. Termisk resistans, som anges i enheter av °C/W, bestämmer hur många grader Celsius varmare en förbindelse blir per watt effekt som avges. Om en övergång som exempelvis avger en effekt på 4 W har en resistans på 10 °C/W kommer temperaturen att öka med 40 °C i förhållande till omgivningstemperaturen. Värdet för värdet för termisk resistans anges ofta för ett specifikt media och område, som t.ex. en TO-220-kapsling mot luft utan en kylfläns.

När flera enheter integreras tillsammans tilldelas ett nytt värde för termisk resistans. Detta värde för termisk resistans förutsätter dock att det finns en felfri anslutning mellan de två ytorna, vilket inte alltid är fallet. I sådana situationer används ett termiskt gränssnittsmaterial för att skapa förutsättningar som är så nära idealiska som möjligt. Även om detta förbättrar värmeöverföringen, ökar det även komplexiteten eftersom den termiska resistansen hos termiska gränssnittsmaterial måste inkluderas i beräkningarna. Det kan tyckas ironiskt att materialet i det termiska gränssnittet minskar den termiska resistansen mellan två föremål, men den har även sin egen termiska resistans. Värdet är inte obetydligt, men det minskar ändå den termiska resistansen mellan två föremål betydligt mer än det ökar densamma. Beroende på vilken typ av termiskt gränssnittsmaterial som används kan denna termiska resistans vara given eller behöva beräknas baserat på det termiska gränssnittsmaterialets tjocklek och den yta över vilken den appliceras.

Figur 2: Exempel på typiska vägar för termisk impedans som kan övervägas i en tillämpning. (Bildkälla: Same Sky)

Vanliga typer av termiska gränssnittsmaterial

Termiska gränssnittsmaterial, som kan bestå gel, fett, pasta eller dynor, och erbjuder olika lösningar för att hantera utmaningar med värmehantering. Bland dessa är pasta för termiska gränssnitt, inklusive gel och fett, kända för sin höga värmeledningsförmåga, flexibilitet och förmåga att fylla större mellanrum. Pastan kan dock vara svår att applicera, särskilt på ojämna ytor, och ger inte alltid ett jämnt resultat. Överdriven användning kan leda till att den totala effekten minskar medan otillräcklig användning kan försämra det termiska gränssnittets prestanda. Dessutom kan metallbaserad pasta, som har en överlägsen värmeledningsförmåga, vara förenad med risker om man spiller den på kretskortet. Keramisk eller kolbaserad pasta kan vara ett säkrare alternativ, men den termiska effektiviteten är kanske inte lika bra som för metallbaserade alternativ.

Däremot är termiska dynor gedigna termiska gränssnittsmaterial tillverkade av silikon eller elastomerer utan silikon, och många fler material finns också tillgängliga. Termiska dynor från Same Sky är exempelvis naturligt klibbiga, elektriskt isolerade och har olika värmeledningsförmåga, mellan 1,0 och 6,0 W/m × K. En av de största fördelarna med att använda dynor som termiska gränssnitt istället för pasta är att de är lätta att applicera. Termiska dynor från Same Sky är färdigskurna för att matcha profilerna på deras Peltier-element, vilket sparar tid och ger större bekvämlighet vid monteringen jämfört med att köpa stora ark av materialet och skära till dem i rätt storlek. Termiska dynor ger även bättre hållfasthet, mindre kladd och är mer återanvändbara än kylpasta.

Men, i situationer där användarna har olika enheter och storlekar är kylpasta fortfarande ett alternativ att föredra tack vare dess mångsidighet. Kylpasta är även populärt på hobbynivå eftersom den är billig och finns färdig i små tuber, vilket eliminerar behovet av exakta mätningar och dimensionering. Det gör den till ett bekvämt alternativ i små projekt och engångstillämpningar. Här följer en snabb sammanfattning av de olika alternativen av termiska gränsnittsmaterial:

Tabell 1: Sammanfattning av alternativen för termiska gränssnittsmaterial. (Bildkälla: Same Sky)

Sammanfattning

Effektiv värmehantering är ett komplicerat problem som kräver en rad olika strategier och lösningar. Det är viktigt att inte förbise betydelsen av termiska gränssnittsmaterial som en viktig komponent i det övergripande systemet. Oavsett om du befinner dig i prototypstadiet, övergår till produktion eller bara använder termiska gränssnittsmaterial i gör-det-själv-projekt, kan en förståelse för orsakerna till deras nödvändighet och mekanismerna bakom deras funktionalitet utgöra en betydande skillnad för en konstruktions termiska prestanda.