Ciekłe kontra stałe materiały termoprzewodzące

W montażu elektronicznym ścieżka termiczna zazwyczaj złożona jest z wielu interfejsów i szczelin, które mogą stanowić barierę dla przepływu ciepła. Typowa płytka elektroniczna takie interfejsy jak układ scalony – podłoże, układ scalony – obudowa, obudowa – radiator czy radiator – otoczenie. Radiatory z metalową podstawą (miedzianą lub aluminiową), umieszczane są nad układami scalonymi, takimi jak procesory, karty graficzne, układy pamięci, mają za zadanie odprowadzać ciepło od tych stanowiących jego źródło komponentów. Ponieważ metal jest dobrym przewodnikiem ciepła, ta koncepcja sprawdziłaby się, gdyby istniał ścisły kontakt między dwiema powierzchniami. Niestety, powierzchnie te nie są idealnie gładkie, co skutkuje powstawaniem tylko kilku punktów styku między nimi i tworzeniem się dużych przestrzeni z powietrzem między nimi.

Powietrze, jako izolator, musi zostać usunięte z interfejsu, aby system działał z oczekiwaną wydajnością i niezawodnością. Projektanci rozwiązują ten problem, wypełniając szczelinę utworzoną przez niedoskonałe powierzchnie materiałami termoprzewodzącymi (Thermal Interface Materials, TIM). Efektywność przenoszenia ciepła z gorącego elementu do zimnego radiatora zależy od efektywnej przewodności cieplnej masy TIM (wpływającej na rezystancję masy) oraz rezystancji styku na obu interfejsach. Istnieje wiele możliwości wyboru materiału TIM, który sprawdzi się w przypadku komponentów dużej mocy. Przykładami są podkładki termiczne (znane jako podkładki szczelinowe), dwuskładnikowe wypełniacze szczelin w postaci płynnej, jednoskładnikowe wypełniacze szczelin (znane jako żel lub szpachla), smar termiczny, materiał zmiennofazowy itp. Jednak dwa najczęściej stosowane rozwiązania to podkładki szczelinowe i wypełniacze szczelin.

• Podkładka szczelinowa to miękka, dopasowująca się, stała podkładka, którą umieszcza się między elementem a radiatorem. Grubość podkładki szczelinowej może wynosić od 0,5 mm do ponad 6 mm, a ich twardość i sprężystość mogą się znacznie różnić. Metody nakładania podkładki szczelinowej są bardzo proste i zazwyczaj wykonuje się je ręcznie. Jedną z największych wad podkładki szczelinowej jest konieczność jej ściśnięcia, aby pomóc w lepszym dopasowaniu powierzchni. Nawet przy ściśnięciu o 40-50% może nie udać się usunąć całego uwięzionego powietrza z interfejsu, co skutkuje jego większym oporem.
• Żel termiczny to ciecz tiksotropowa, która charakteryzuje się odwracalną zmianą lepkości w czasie. W spoczynku jest gęsta i lepka, ale pod wpływem działania sił ścinających (np. mieszania, pompowania) jej lepkość maleje, stając się łatwiejszą w aplikacji. Po ustaniu działania siły, ciecz stopniowo odbudowuje swoją pierwotną strukturę i zwiększa lepkość. Te właściwości materiału są znane jako jego ‘reologia’ materiału. Rozrzedzanie pod wpływem ścinania ułatwia dozowanie, a właściwości tiksotropowe pomagają zachować kształt po usunięciu naprężenia.

Wydajność cieplna 

Na wydajność cieplna składają się takie cechy jak przewodność cieplna, opór cieplny i impedancja cieplna.

Przewodność cieplna (Thermal Conductivity, TC), oznaczana jako k, jest właściwością materiału, która wskazuje jego zdolność do przewodzenia ciepła. Nie zależy ona od geometrii ani warunków międzyfazowych zestawu testowego. Prawo Fouriera przewodnictwa cieplnego umożliwia nam obliczenie k za pomocą równania 1, natomiast wizualna reprezentacja równania Fouriera jest pokazana na rysunku 1.

Q=kA (ΔT/d)

Q – Przepływ ciepła (W)

K - Przewodność cieplna (W/m-K)

A - Powierzchnia (m2)

D - Grubość (m)

Rysunek 1. Prawo Fouriera. Żródło: Thermal Performance Comparison Between Liquid and Pad Thermal Interface Material Autor: Rita Mohanty, Ph.D., Blake Wageman © Henkel Corporation 

Termin ‘przewodność cieplna’ odnosi się do materiałów jednorodnych, podczas gdy materiały interfejsu cieplnego nie są jednorodne. Dlatego właściwą terminologią opisującą przewodnictwo cieplne TIM jest efektywna lub rzeczywista przewodność cieplna. Efektywną przewodność cieplną oblicza się za pomocą równania 2.

k_eff = d/Z

keff – efektywna przewodność cieplna, W/m-K

Z – impedancja cieplna, 0°C-m²/W

Opór cieplny (Thermal Resistance, TR) można traktować jako przeciwieństwo przewodnictwa cieplnego i można go zapisać jako równanie 3.

 𝑅 = d/kA

R – opór cieplny, 0°C/W

Impedancja cieplna (Thermal Impedance, TI) jest podobna do oporu cieplnego i często jest stosowana zamiennie. Istnieje jednak wyraźna różnica między oporem cieplnym a impedancją. TI definiuje się jako gradient temperatury na jednostkę strumienia ciepła przepływającego przez interfejs. Jak ilustruje równanie 4, impedancję cieplną oblicza się mnożąc rezystancję R przez powierzchnię, na której rozpraszane jest ciepło.

𝑍 = 𝑅A

Impedancja cieplna obejmuje rezystancję cieplną masy TIM oraz rezystancję styku między TIM a dwiema powierzchniami. Ponieważ rezystancja cieplna jest wprost proporcjonalna (równanie 3) do grubości TIM, im cieńsza jest warstwa TIM, tym niższa jest rezystancja cieplna. Z drugiej strony, rezystancja styku zależy od nierówności dwóch stykających się powierzchni i zdolności TIM do wypełnienia powstających luk. Rysunek 2 przedstawia graficzną reprezentację rezystancji w zespole elementu i radiatora, gdzie całkowita impedancja jest proporcjonalna do sumy wszystkich trzech rezystancji.

Rysunek 2. Wyjaśnienie pojęcia impedancji cieplnej Żródło: Thermal Performance Comparison Between Liquid and Pad Thermal Interface Material Autor: Rita Mohanty, Ph.D., Blake Wageman © Henkel Corporation 

Istnieją dwa powszechne rodzaje badań wykonywanych na poziomie materiału w celu scharakteryzowania przewodności cieplnej. Są to badania w stanie ustalonym i w stanie przejściowym. Najpopularniejszy sprzęt do badań w stanie ustalonym opiera się na normie ASTM D5470, a badania w stanie przejściowym na metodzie laserowej ASTM E1461. Jak opisano wcześniej, wydajność cieplna TIM zależy od przewodności cieplnej, grubości spoiny, obszaru, na którym rozpraszane jest ciepło, oraz rezystancji styku na obu stykach. Z drugiej strony, rezystancja styku zależy od zdolności TIM do zwilżania powierzchni styku (jako zwilżanie rozumiemy tu zdolność do wypełniania mikroskopijnych niedoskonałości powierzchni, które mogłyby uwięzić powietrze). Lepsze zwilżanie można osiągnąć na różne sposoby - przykładami są gładsze powierzchnie, większa zdolność TIM do wypełnienia szczelin i zwiększone ciśnienie dla lepszego styku.

Aby lepiej zrozumieć wpływ rodzaju TIM i grubości spoiny klejowej, przeprowadzono dwa rodzaje testów przy użyciu żelu termicznego (ciekły TIM) i podkładki termicznej (stały TIM) o tej samej efektywnej przewodności cieplnej. Test 1 polegał na użyciu testera TIM zgodnego z metodą badawczą ASTM D5470 do przetestowania obu rodzajów TIM przy stałej grubości spoiny klejowej. Test 2 polegał na użyciu rzeczywistej PCB (zawierającej tranzystor MOSFET TO-220 typu N i radiator) do badań termicznych, odzwierciedlającej rzeczywiste zastosowanie. Druga część badania oparta była na porównaniach pad vs ciecz, z dodatkiem zmiennej grubości spoiny.

Wyniki testu 1 potwierdziły przewidywania, że ​​ciekły TIM, w tym przypadku żel, lepiej zwilża powierzchnię, zapewniając niższy opór cieplny dla przepływu ciepła z gorącej powierzchni do zimnej płyty. Właściwości reologiczne ciekłego TIM zapewniają mierzalną poprawę zarówno impedancji cieplnej, jak i rezystancji przy tym samym BLT. Analiza wyników wskazała, że różnice obserwowane w tym eksperymencie są statystycznie istotne: autorzy dokumentu wnioskują, że przy grubości spoiny 0,6 mm, przejście ze stałej podkładki na ciekły TIM, przynosi 32% poprawę oporu cieplnego. 

Wyniki testu 2, porównującego efektywność przy różnych grubościach spoiny, wskazują że grubość spoiny jest statystycznie istotna w odniesieniu do rezystancji międzyfazowej. Zgodnie z oczekiwaniami, cieńsza spoina zapewnia niższą rezystancję i to niezależnie od rodzaju TIM. Różnica jest bardziej widoczna w przypadku żelu, ponieważ zwilża on interfejs lepiej niż pad. Stwierdzono również, że żel ma niższą rezystancję w porównaniu z padem przy wszystkich testowanych grubościach spoiny, chociaż różnica w rezystancji staje się mniej istotna wraz ze wzrostem grubości spoiny. Jest to zrozumiałe, ponieważ rezystancja objętościowa staje się dominującym czynnikiem wraz ze wzrostem grubości spoiny.

Żródło: Thermal Performance Comparison Between Liquid and Pad Thermal Interface Material Autor: Rita Mohanty, Ph.D., Blake Wageman © Henkel Corporation 

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 19 marca 2026. Zapisz się tutaj!

Zdjęcie tytułowe: InterPhone Service