Термоинтерфейс..на страницах сайта
electrosad.narod.ru
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Интерфе́йс (от англ. interface — поверхность раздела, перегородка) в общем случае определяет место или способ соединения, соприкосновения, связи. Его значение можно отнести к любому сопряжению взаимодействующих систем. (Википедия) Современные мощные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры, чипсеты и высокоскоростных процессоры) имеют большое выделение тепла. Для их нормальной работы требуется обеспечить его отвод. Эту задачу обеспечивают системы охлаждения. Составной частью, которых является термоинтерфейс. Мы уделим основное внимание термоинтерфейсу процессоров ПК. В расширенном понимании термоинтерфейсом между процессором и окружающей средой является весь узел кулера, в узком - теплопроводящая паста в зазоре процессор - кулер. Зачем нужна теплопроводящая паста?В различных технических требованиях на монтаж радиаторов силовых полупроводниковых приборов указывается, шероховатость сопрягаемой контактной поверхности, которая должна быть не хуже 2,5 мкм, иногда 1,6 мкм. По старым ГОСТам это 6 класс, который получается при чистовой обработке режущим инструментом. Грубое шлифование дает 7 класс. Аналогичные требования и для кулера процессора. Какой минимальный зазор возможен для двух контактных поверхностей?
При одинаковой шероховатости возможны моменты когда отдельные выступы на обоих поверхностях вступают в контакт. См. рис.1. Это позволяет принять за минимальный зазор расстояние равное hк+hп = 2,5+2,5=5 мкм. Причем при применении вязких теплопроводящих паст зазор увеличивается из-за того, что усилия механизма поджатия не хватает для вытеснения избыточного количества теплопроводящей пасты из зазора между кулером и процессором. Если зазор заполняет воздух, то теплообмен осуществляется через его прослойку и множество точечных соприкосновений по металлу. Для минимального зазора, при наличии в нем воздуха имеем сопротивление Rt равное 1,74 °С/Вт
Таблица 1
Мы установили, что минимальный зазор между основанием кулера и процессором более или равен 5 мкм. Как от зазора зависит тепловое сопротивление в контактной паре, посмотрим на рис 2 и 3. Этот зазор при наличии в нем воздуха имеет тепловое сопротивление Rt=1,74 °С/Вт, а самая хилая ТП КТП-8 в 6 раз большем зазоре (30 мкм) имеет сопротивление 0,23 °С/Вт и гипотетически при зазоре 5 мкм Rt=0,038 °С/Вт. Это в 7,56 и 45 раз меньше соответственно! Существенное значение имеет и непаралельность сопрягаемых поверхностей. При его наличии возникает такой же зазор между сопрягаемыми поверхностями, как и в описанном выше случае. Причем общая непаралельность всей поверхности имеет меньшее значение чем местные. По некоторым данным при чистоте поверхности 2,5 требования на непаралельность 1,6 мкм.Некоторые считают что, отполировав подошву кулера, они улучшат теплообмен. Но при ручной полировке невозможно довести подошву до необходимого состояния. Получив видимое зеркало в результате снижения шероховатости, на ту же величину можно увеличить местную непаралельность, она может достигнуть уже 4,1 мкм. А это - сохранение и даже увеличение зазора. Полировку можно выполнять только на станке, специальной оснастке или проконсультируйтесь у квалифицированного слесаря инструментальщика, как ее выполнить. Теплопроводящие пасты (составы с повышенной теплопроводностью) заполняя зазор позволяют многократно повысить эффективность отвода тепла. Какие бывают ТП и насколько они эффективны? В качестве связующего в ТП применяются различные композиции. Требования к нему специфические. Оно должно иметь хорошее сцепление с поверхностью металлов и керамики, не должно высыхать в процессе эксплуатации при повышенных температурах, низкую гигроскопичность и быть химически пассивными к применяемым в ПК материалам. Связующее должно обеспечивать ТП необходимую текучесть под статическим давлением, чтобы ее излишки уходили из зазора при прижатии кулера механизмом крепления. Этим требованиям удовлетворяют силиконовые масла. В настоящее время применяют так же композиции масел, эфиров, … Дополнительная информация:«Силиконовые масла малой вязкости растворяются ацетоном, этанолом, метанолом, этилен-гликолем. Вообще, типичные растворители для силиконовых жидкостей: эфир, ксилен, метил-этил-кетон.» Как наполнитель используются множество компонентов. Это микро дисперсные порошки оксидов металлов (цинка, алюминия и других металлов), нитридов (бора, алюминия), металлов (серебро, медь). Исходя из имеющейся информации размер частиц имеет существенное влияние на теплопроводность паст. Например снижение их размера с 5-3 мкм до 1 мкм дает снижение теплового сопротивления примерно в 2 раза. Поэтому применение нанопорошков весьма перспективно.
Все ТП при зазоре 30 мкм имеют величину теплового сопротивления (вертикальная линия на рис.2) показанную в последнем столбце таблицы 2. Тогда допустимая толщина слоя ТП должна быть:
Из таблицы видим, ТП КТП-8, уже не может применяться в современных процессорах с тепловыделением больше 65 Вт. Решение проблемы видится в:
Что мы видим во множестве исследований ТП помещаемых в Internet и печати? Все они, не смотря на результаты вычислений приведенным в таблицах 2 и 3 по подтвержденным документацией характеристикам, дают примерно одинаковые результаты с разницей в несколько градусов. И это при теплопроводности КТП-8 равной 0,8 Вт/(м*К) и других теплопроводность которых отличается более чем на 3 порядка!Поскольку результаты КТП-8 по своим характеристикам вообще неприменима при тепловаделении более 50Вт. Напрашивается единственный вывод о некорректности исследований. Эта некорректность часто, только косвенно зависит от исследователя. Он проводит исследования, не обращая внимания на физические свойства термо интерфейса. Первая причина, - заключается в недостатке конструкций крепления кулеров. Они в своем большинстве не обеспечивают надежной фиксации и необходимого усилия поджатия, а уж про регулировку и говорить не приходится.Вторая При монтаже необходимо использовать ТП текучие, чтобы все ее излишки были выдавлены из зазора. Этим обеспечится его минимальная толщина и минимальное тепловое сопротивление. Но и высыхать они не должны иначе их теплопроводность с высыханием будет ухудшаться.
Применение теплопроводящих паст.Теплопроводящие пасты широко применяются в теплоэнергетике, строительстве, производстве электронных компонентов и в электронике. Понятно, что столь разнородное применение требует от ТП совершенно разных свойств. В теплоэнергетике и строительстве это быстрая полимеризация, устойчивость к огню и отсутствие вредных выделений в условиях высокой температуры при теплопроводности порядка 0,9 °/Вт.
Рисунок 4
Они расфасовываются по 10-20
кг.
В производстве электронных
компонентов – это высокая электрическая прочность и низкие
потери и опять быстрая полимеризация и достаточна та же
теплопроводность. Для термо интерфейсов,
ТП должна длительное время не терять свою вязкость и обладать
высокой теплопроводностью. Причем чем она выше, тем лучше.
Эти ТП могут быть двух видов:
Ранее в радиоэлектронных устройствах средней и большой мощности были обязательны к применению только первые. Эти составы при хороших теплопроводящих свойствах обладают и электроизоляционными свойствами. Это позволяют упростить применение паст, ведь при этом возможно выдавливание ТП на прилегающие поверхности. На них у современных процессоров могут быть расположены вспомогательные контактные площадки и элементы. Возможно попадание ТП и на системную плату. В этих случаях ТП с высоким сопротивлением не влияют на работу узла. Фасовка таких ТП различна.Это тубы, тюбики, шприцы и запаянные пакетики. О них Вы хорошо знаете. Но существуют теплопроводящие составы, пастами их назвать сложно, в аэрозольной упаковке. Они имеют низкую вязкость.
Это позволяет легко наносить их очень тонким слоем. В ее составе нет силикона. Следует обратить особое внимание на теплопроводящие пасты, где в качестве наполнителя используется серебро. Этот металл обладает интересными свойствами. Даже при нормальной температуре частицы Ag с большой скоростью преобразуются в кристалл. Он имеет игольчатую форму, а это сводит их электроизоляционные свойства к нулю. Кроме того, через некоторое время ее теплопроводящие характеристики могут существенно измениться. Отмечены случаи замыкания сквозь содержащую серебро ТП.
Rк = δ λ-1 Sконт-1 град/Вт [ф.1]
где: δ – толщина слоя пасты м, λ – коэффициент теплопроводности пасты Вт/(м*К), Sконт – площадь теплового контакта м2. А δ –толщина слоя пасты, как уже говорилось выше, существенно зависит от вязкости теплопроводящей пасты и усилия прижатия которое создает механизм крепления кулера на процессоре. Это влияние и является главным фактором, делающим бесполезными большинство опубликованных тестов.
Новые материалы термо интерфейса.Сейчас активно ведется поиск новых материалов - наполнителей для теплопроводящих паст. Размеры частиц наполнителя снижаются до 5-1 мкм. А в качестве теплопроводящих материалов используют мелкодисперсные:
Все, кроме алмаза, имеют хорошую электропроводность. Исходя из этих изысканий, можно предположить применение в дальнейшем медных и других металлических мелкодисперсных порошков. Необходимо только разработать технологию. Посмотрите рис.6. На нем дан перечень перспективных материалов, большинство из которых уже применяется в составе ТП.
Рисунок 6
На рис.6: 0,46МПа – 4,55 кг/м2; 0,69 МПа – 6,8 кг/м2; 0,92МПа – 9,1 кг/м2.
На рисунке 2 показана таблица характеристик таких материалов с недоступного сейчас сайта www.zzz.com.ru. Влияние теплопроводности ТП и толщины слоя термоинтерфейса на температуру процессора.Влияние на температуру процессора обоих этих параметров не требует подтверждения. Согласно формуле [Ф.1] их влияние на тепловое сопротивление имеет линейную зависимость. Каков эффект от изменения этих параметров для температуры процессора Intel® Core™2 Duo Desktop Processor E6700, TDP = 65 Вт и Thermal Specification: 60.1°C при использовании кулеров с тепловым сопротивлением 0,25град/Вт, 0,5град/Вт и 0,75 град/Вт покажем ниже.Рассмотрим эффективность работы кулеров для теплопроводящих паст АлСил-3 с теплопроводностью 2,0 Вт/(м*К) и Arctic Silver 5 – 8,7 Вт,(м*К) и толщины слоя теплопроводящих паст 19 и 38 мкм. Значения теплового сопротивления кулеров взяты усредненные для типичных моделей. Расчет для температуры воздуха 34 °С и максимального тепловыделения процессора.
Свойства теплопроводящих паст кратко.Приглашаю принять участие в создании ->
Сводной таблицы
характеристик ТП.
Подготовил А. Сорокин
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Попасть прямо в разделы сайта можно здесь: При полном или частичном использовании материалов ссылка на "electrosad.narod.ru" обязательна. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Copyright Sorokin A.D. |
| Дата - 2007 год. Ver.4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
