אל תשכחו את חומרי הממשק התרמי

בתחום הניהול התרמי, מוקדשת תשומת לב כה רבה למאווררים, צלעות-קירור והתקני Peltier, עד כדי כך שאנו עלולים לשכוח את האופן שבו רכיבים אלו מורכבים. חומר ממשק תרמי (TIM) הוא בעל חשיבות עליונה במתן ביצועים אופטימליים של טכניקות ניהול תרמי אחרות אלו. מטרת ה- TIMs היא למלא את החללים הזעירים והמיקרוסקופיים הנמצאים בין שני משטחים לא-אחידים עם חומר המתהדר במוליכות תרמית טובה יותר לעומת האוויר. TIMs יכולים לכלול חומרים שונים המשמשים לשיפור מוליכות תרמית, ולהבטיח מוליכות תרמית יעילה מאלמנט מייצר-חום כמו טרנזיסטור הספק אל מפזר חום כמו צלעות-קירור, מצנן תרמו-אלקטרי או שניהם. מאמר זה יגדיר מוליכות ואימפדנס תרמיים בפירוט רב יותר תוך מתן מבוא ברמה גבוהה על סוגי ה-TIM השונים הזמינים למהנדס תכנון.

איור 1‏: ייצוג בסיסי של מילוי מרווחי אוויר עם TIM‏ בין שני משטחים לא-אחידים. (מקור התמונה: Same Sky)

סקירת מוליכות תרמית

על מנת להבין באופן מלא כיצד מילוי חללים מיקרוסקופיים אלה יכול לשפר את העברת החום, הבנה ברורה של מוליכות תרמית היא חיונית. מוליכות תרמית היא מדד ליכולת של חומר להעביר חום ואינה תלויה בגודל של רכיב נתון. פרמטר זה מכומת בדרך כלל ביחידות הספק חלקי שטח כפול טמפרטורה, כגון W/m°C‏ או W/m*K. יש לציין כי מאחר ויחידה אחת בסולם קלווין היא שוות ערך למעלת צלזיוס אחת, בעת ביצוע חישובים רק השינוי היחסי בטמפרטורה הוא רלוונטי, ולא הערך האבסולוטי.

כאשר עוסקים בפיזור חום, מוליכות תרמית גבוהה יותר היא תמיד רצויה יותר. חומרים עם מוליכות תרמית נמוכה מציגים קצב העברת חום נמוך, ואילו חומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה מאפשרים העברה מהירה יותר של חום. למען הפרספקטיבה, המוליכות התרמית של האוויר היא רק W/m*K‏ 0.0263 שהיא בערך שני סדרי גודל פחות מזה של חומרי ממשק תרמי. כאשר קיימים מרווחי אוויר בין הרכיב לבין צלעות-הקירור, פיזור החום מעוכב. על ידי מילוי חללים אלו ב-TIM, המתהדר במוליכות תרמית גדולה יותר משמעותית מאוויר, מושגת העברת חום יעילה יותר.

סקירת התנגדות תרמית

מצד שני, אימפדנס תרמי או התנגדות תרמית תלויים מאוד בצורתו של רכיב מסוים ומתבטאים ביחידות טמפרטורה חלקי הספק, כלומר מעלות צלזיוס לוואט. בעוד שהתנגדות תרמית מכוסה בפירוט בסקירה כללית על ניהול תרמי של Same Sky ובבלוגים של כיצד לבחור צלעות-קירור, הנה סיכום מהיר. התנגדות תרמית, המצוינת ביחידות של C/W, קובעת כמה מעלות צלזיוס חם יותר יהפוך צומת לכל וואט של הספק מתפזר. לדוגמה, אם לצומת המפזר 4 וואט של הספק יש התנגדות של C/W‏ 10, הטמפרטורה שלו תעלה ב-40 מעלות צלזיוס ביחס לטמפרטורת הסביבה. לעתים קרובות, ערך ההתנגדות התרמית מצוין עבור מדיום ואזור ספציפיים, כגון מארז TO-220 לאוויר ללא צלעות-קירור.

כאשר מספר התקנים משולבים יחד, מוקצה ערך התנגדות תרמית חדש. עם זאת, ערך התנגדות תרמית זה מניח שקיים חיבור מושלם בין שני המשטחים, כאשר זה לא תמיד המקרה. במצבים כאלה משתמשים בחומר ממשק תרמי כדי ליצור תנאים קרובים ככל האפשר לאידיאליים. למרות שזה משפר את העברת החום, זה גם מוסיף רמת מורכבות שכן ההתנגדות התרמית של ה-TIM חייבת להיכלל בחישובים. זה אולי נראה אירוני שבעוד שחומר הממשק התרמי מפחית את ההתנגדות התרמית בין שני אובייקטים, יש לו גם התנגדות תרמית משלו. ערך זה אינו חסר משמעות, אך הוא עדיין מפחית את ההתנגדות התרמית בין שני אובייקטים באופן משמעותי יותר ממה שהוא מוסיף לו. בהתאם לסוג ה- TIM המופעל, התנגדות תרמית זו עשויה להיות מסופקת או שצריך לחשב אותה על סמך עובי ה-TIM ושטח הפנים עליו הוא מוחל.

איור 2: דוגמה למסלולי אימפדנס תרמי טיפוסיים העשויים להיכלל ביישום. (מקור התמונה: Same Sky)

סוגים נפוצים של חומר ממשק תרמי

חומרי ממשק תרמי, היכולים ללבוש צורה של ג'לים, שומנים, משחות ופדים, מציעים פתרונות מגוונים עבור התמודדות עם אתגרי ניהול החום. בין אלה, משחות ממשק תרמי, כולל ג'לים ושמנים, ידועות במוליכות התרמית הגבוהה, בגמישותן וביכולתן למלא מרווחים גדולים יותר. עם זאת, יישום הדבק עשוי להיות מסובך, במיוחד על משטחים לא-אחידים, ולא תמיד יניב תוצאות עקביות. יישום-יתר יכול להוביל להפחתה באפקטיביות הכוללת, בעוד שיישום לא מספיק יכול לפגוע בביצועי הממשק התרמי. יתר על כן, משחות על בסיס מתכת, המציעות מוליכות תרמית מעולה, עלולות ליצור סכנות חשמליות אם הן נשפכות על גבי ה-PCB. משחות קרמיות או על בסיס פחמן יכולות להיות חלופה בטוחה יותר, אבל היעילות התרמית שלהן עשויה להיות לא מספיק טובה כמו אפשרויות מבוססות מתכת.

בניגוד לכך, פדים תרמיים הם TIMs מוצקים העשויים מאלסטומרים סיליקוניים או לא-סיליקוניים, כאשר קיימים גם חומרים רבים אחרים. לדוגמה, הפדים התרמיים של Same Sky הם דביקים מטבעם, מבודדים חשמלית ובעלי דירוגי מוליכות תרמית משתנים, הנעים בין W/m*K‏ 1.0 עד W/m*K‏ 6.0‏. אחד היתרונות העיקריים של שימוש בפדים תרמיים במקום משחות הוא קלות היישום שלהן. הפדים התרמיים של Same Sky חתוכים-מראש כדי להתאים לפרופילים של התקני Peltier‏ שלהם, ובכך חוסכים זמן ומציעים נוחות רבה יותר במהלך ההרכבה, בהשוואה לקניית גיליונות גדולים של חומרי פדים וחיתוכם לגודל הנדרש. פדים תרמיים גם מעניקים עקביות גדולה יותר, פחות בלגן והם ניתנים לשימוש-חוזר לעומת משחות.

עם זאת, במצבים שבהם משתמשים מתמודדים עם התקנים וגדלים מגוונים, משחה תרמית נותרת אפשרות מועדפת בשל הוורסאטיליות שלה. משחה תרמית היא פופולרית גם בקרב חובבים מכיוון שהיא זולה וזמינה בשפופרות קטנות המבטלות את הצורך במדידות ובגודל מדויקים. זה הופך אותן לאפשרות נוחה עבור פרויקטים קטנים ויישומים חד-פעמיים. להלן סיכום מהיר של אפשרויות TIM השונות:

טבלה 1: סיכום של אפשרויות חומרי ממשק תרמי. (מקור התמונה: Same Sky)

סיכום

ניהול תרמי יעיל הוא בעיה מורכבת הדורשת מגוון של אסטרטגיות ופתרונות. חשוב לא להתעלם מהמשמעות של חומרי ממשק תרמי כמרכיב מפתח של המערכת הכוללת. בין אם בשלב אב-הטיפוס, המעבר לייצור, או סתם שימוש בחומרי ממשק תרמי לפרויקטים של עשו-זאת-בעצמכם (DIY), הבנת הסיבות לנחיצותם והמנגנונים מאחורי הפונקציונליות שלהם יכולה לגרום להבדל משמעותי בביצועים התרמיים של תכנים.