כיצד למטב ניהול תרמי עם מפזרי חום וממלאי מרווח

ניהול תרמי טוב הוא חשוב כדי להבטיח את הביצועים והאמינות של התקני אלקטרוניקה. בעיקרון זה פשוט, מתחיל עם ההרחקה של חום בלתי רצוי ממקור ופיזורו על פני שטח גדול יותר עבור פיזור וקירור אפקטיבי. אבל במקרים רבים המימוש יכול להיות מאתגר.

פני השטח של התקנים יוצרי חום בדרך כלל אינם חלקים מספיק כדי לקבל את העכבה התרמית הנמוכה הדרושה כדי להבטיח מעבר חום טוב. פני השטח של התקנים מסוימים אינם מישוריים, דבר המגדיל את האתגר של הניהול התרמי. כמו כן, הרכיבים שיש לקררם יכולים להימצא עמוק בתוך המערכת, דבר המסבך עוד יותר את הרחקת החום המזיק פוטנציאלית.

ניתן להשתמש במשחות ובחומרי גריז תרמיים כדי לשפר מוליכות תרמית, אך יכול להיות מסובך להשיג את הכיסוי הדרוש ולהבטיח העברת חום טובה ומניעת יישום-יתר, דבר שיכול לגרום לזיהום של פסי הולכה במעגל מודפס ולקצרים. נוסף לכך, משחות וחומרי גריז תרמיים אינם יכולים לפזר חום מן המקור לצדדים.

במקום זה, מתכננים יכולים לפנות‏ למגוון חומרי ממשק תרמי (TIMs), כולל ממלאי מרווח ומפזרי חום, כדי לספק באופן עקבי את העכבה התרמית הנמוכה הדרושה עבור העברת חום אפקטיבית, תוך כדי מניעת כל דאגה של זיהום. כדי לעמוד בדרישות מערכת ספציפיות, ניתן להרכיב חומרי ממשק תרמי (TIMs) כך שיעבירו חום בניצב או יפזרו חום לצדדים. כדי להתאים לדרישות של יישומים ספציפיים, חומרי ממשק תרמי (TIMs) זמינים במגוון עוביים, הם יציבים מכנית בטמפרטורות עבודה גבוהות עבור אמינות טובה, יכולים לספק בידוד חשמלי גבוה והם קלים ליישום.

מאמר זה סוקר ניהול תרמי ומספק הנחיות כלליות לבחירת חומרי TIM . אחר כך מציג מספר אפשרויות TIM מבית Würth Elektronik‏ ובוחן את שיקולי היישום והתכנון עבור כל אחת מהן.

מהם חומרי TIM?

חומרי ממשק תרמי (TIMs) ממוקמים בין מקור חום ומכלל‏ קירור כדי לשפר צימוד תרמי וזרימת חום. שני גורמים מגדילים את היעילות של הצימוד התרמי. גורם ראשון הוא היכולת של חומר ה-TIM להתאים את עצמו לאי-אחידות משטח מיקרוסקופית, ובכך למנוע כיסי אוויר מבודדים המקטינים את המוליכות התרמית של הממשק (איור 1‏). גורם שני, חומרי ה-TIM חייבים להיות בעלי המוליכות התרמית הדרושה כדי להעביר חום באופן אפקטיבי מהמקור אל מכלל הקירור. מוליכות תרמית, K‏, נמדדת בוואטים למטר למעלת Kelvin‏ (W/mK‏). היא נמדדת תוך שימוש ב-ASTM D5470, “שיטת בדיקה סטנדרטית עבור תכונות העברה תרמית של חומרים מוליכים תרמית ומבודדים חשמלית”.

איור 1:חומר TIM (כחול) משמש למילוי אי-האחידות המיקרוסקופית הקיימת במשטחי הפנים של רכיבים ומכללי קירור כדי לשפר צימוד תרמי. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

בנוסף למוליכות תרמית, ישנם מספר שיקולים כשבוחרים בחומר TIM:

• תחום טמפרטורות עבודה הוא חשוב מאחר וחומרי TIM שונים מוגדרים עבור תחומי טמפרטורות שונים.
• המרחק בין המשטחים המזווגים ובאם חומר ה-TIM צריך להיות דחוס כדי לספק העברה תרמית אופטימלית.
• יכולת עמידה של חומר ה-TIM בלחץ דחיסה.
• חומרי TIM מסוימים זמינים עם דבקים מרוחים על משטחי הפנים שלהם, שמאפשרים קיבוע מכני.
• תכונה של בידוד חשמלי של חומר ה-TIM, מאחר וחומרים מסוימים יכולים לספק גם בידוד חשמלי.
• חומרי TIM מסוימים זמינים כחלקים סטנדרטיים ללא כמות מינימלית להזמנה וללא עלויות כלי השמה, בעוד אחרים זמינים בצורות מותאמות-במיוחד הניתנות למיטוב עבור דרישות יישום ספציפיות.

מבחר ממלאי מרווח

ממלא מרווח הסיליקון WE-TGF הוא חומר לשימוש כללי המתוכנן לשימוש ביישומי לחץ-נמוך המפיקים תועלת מבידוד חשמלי, כאשר חומר ה-TIM דחוס בין %‏10 ל-30% מעוביו. חריגה ברמת הדחיסה המומלצת עלולה לגרום להפרשת שמן סיליקון, שתקטין את תוחלת חיי החומר ואולי תזהם את לוח המעגל המודפס (לוח PC). חומרי TIM אלה מתוכננים לשימוש בין שני משטחים מקובעים מכנית מאחר ואין להם כל דבק נוסף מעבר לדביקות הטבעית שלהם. זמינים בעוביים מ-‏0.5‏ עד 18 מילימטרים (מ"מ), עם מוליכויות תרמיות בין 1 ל-‎3 W/mK. עוביים מ-‏0.5‏ עד 3‏ מ"מ תומכים ברמות גבוהות יותר של מוליכות תרמית (איור 2‏).

איור 2‏: ממלאי מרווח תרמי מבית Würth זמינים כדי לעמוד בדרישות של מגוון רחב של יישומים. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

לדוגמה, מק"ט 40001020 הוא פד‏ 400 X‏ 200 מ"מ בעובי 2 מ"מ, עם‏ K‏ של‏ 1‎ W/mK וחוזק דיאלקטרי או דרוג פריצה חשמלית (E_BR) של 8‎ kV/mm. מאפייני הרכות והבידוד החשמלי של ממלאי מרווח WE-TGF הופכים אותם למתאימים לשימוש בין אחד או יותר רכיבים אלקטרוניים‏ ומכלל קירור (איור 3‏).

איור 3‏: פד ממלא מרווח אלסטומר סיליקון מתוכנן למלא‏ מרווח בין אחד או יותר רכיבים אלקטרוניים ומכלל‏ קירור, כגון גוף קירור, לוח קירור או בית מתכת. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

עבור יישומי ניהול תרמי הדורשים בידוד חשמלי ‏ופרופיל דק יותר, מתכננים יכולים להשתמש בפד מבודד סיליקון מוליך תרמית WE-TINS עם K‏ מ-1.6 עד ‎3.5 W/mK‏ ועובי של 0.23 מ"מ. מק"ט 404035025 הוא בעל‏ K‏ של ‎3.5 W/mK ‏ו-E_BR של 6‎ kV/mm. כמו כל החלקים בסדרת WE-TINS, ה-404035025 משלב גומי סיליקון מוליך תרמית ורשת פיברגלס‏. הרשת‏ מוסיפה חוזק מכני והיא חסינה מפני ניקוב וגזירה. כתוצאה מהתכונות המכניות של המבנה, חומרי TIM אלה ניתנים לדחיסה במידה רצויה והם בעלי חוזק מתיחה גבוה.

עם זאת, חומרים משני-פאזה תרמיים וסרטי העברה תרמית הם דקים יותר, עם פרופילים של 0.02 מ"מ בלבד. לדוגמה, סדרת ה-WE-PCM של חומרי TIM משני-פאזה משתנה ממוצק לנוזל בטמפרטורה ספציפית, מספקת ספיגת רטיבות (wet-out) מלאה של הממשק ללא כל דליפה או גלישה. החומרים מתוכננים לשימוש עם מעגלים-משולבים ביצועים-עיליים או רכיבי הספק ומכללי קירור. לדוגמה, מק"ט 402150101020 הוא בגודל 100 ממ"ר, עם דבק בשני צדדיו, K של‏ ‏‎5 W/mK, ‏E_BR של ‎3 kV/mm ו‏טמפרטורת שינוי פאזה של 55 מעלות צלזיוס (C°).

סרט העברה תרמית WE-TTT הוא סרט‏ דו-צדדי המאפשר קיבוע מכני של שני משטחי המגע. הוא בעל‏ K‏ של ‎1 W/mK ‏ו-E_BR של 4‎ kV/mm, ומתוכנן עבור יישומי לחץ-נמוך. הוא זמין ברוחב של 8 מ"מ (מק"ט 403012008) ו-50 מ"מ (מק"ט 403012050) בגלילים של 25 מטר (מ').

פתרונות פיזור חום גרפיט

חומרי TIM מבוססי גרפיט סינתטי מציעים את הרמות הגבוהות ביותר של מוליכות תרמית (איור 4‏). מק"ט 4051210297017 במשפחת ה-WE-TGS הוא‏ מפזר חום גרפיט סינתטי במידות 297 X‏ 210 מ"מ עם‏ K‏ של 1800‎ W/mK‏, שאינו מספק בידוד חשמלי. השילוב של מוליכות תרמית גבוהה, משקל קל ודקות (0.03 מ"מ) הופך יריעות גרפיט אלו לשימושיות במגוון רחב של יישומים, ממודולים של מוליכים-למחצה בהספק גבוה עד התקנים נישאים-ביד.

איור 4‏: מפזרי חום גרפיט מציעים מוליכויות תרמיות גבוהות בממדים מרובים והם דקים עד כדי 0.03 מ"מ. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

סדרת ה-WE-TGFG משלבת יריעות גרפיט עם פדים של קצף כדי ליצור פתרונות ניהול תרמי ייחודיים עם K‏ של ‎400 W/mK ‏ו-E_BR של 1‎ kV/mm. ניתן ליצר אטמים ארוכים שישמשו כמפזרי חום, שיעבירו חום לצדדים מהמקור אל מכלול קירור הממוקם בחלק אחר של המערכת (איור 5‏). לדוגמה, מידות חלק 407150045015 הן אורך 45 מ"מ, רוחב 15 מ"מ ועובי 1.5 מ"מ, וניתן להשתמש בו ביישומים המפיקים תועלת ממילוי מרווח והעברת חום לצדדים.

איור 5‏: חומר‏ TIM ממוקם על גבי ‏רכיב חם יכול לפעול כמפזר חום, להעביר את החום מהרכיב לצדדים. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

כדי להשיג מוליכויות תרמיות גבוהות יותר עם פדים סיליקון כמו ממלאי המרווח WE-TGF, נדרש שהפד יהיה דק יותר. מתכננים יכולים לפנות אל חומרי ה-TIM‏ WE-TGFG כדי למלא מרווחים של עד 25 מ"מ, עם מוליכות תרמית גבוהה הרבה יותר ממה שאפשר להשיג עם פדים סיליקון, וניתן ליצר חלקי WE-TGFG בגאומטריות מותאמות במיוחד כדי להתאים בחללים שאינם מישוריים (איור 6‏).

איור 6: ניתן ליצר אטם קצף גרפיט (מרכז) בגאומטריות שונות ולהשתמש בו כממשק בין מקור חום (תחתית) ואלמנט פיזור חום לא מישורי (למעלה). (מקור תמונה: Würth Elektronik)

שילוב של חומרי TIM עבור ביצועים משופרים

חומרי TIM ניתנים לשילוב כדי לספק ביצועים ברמות גבוהות יותר. לדוגמה, ניתן לשלב מפזר חום גרפיט WE-TGS עם ממלא מרווח סיליקון‏ WE-TGF כדי לאפשר את השימוש בגוף-קירור עם חתימת-שטח גדולה ממקור החום, ובכך להגדיל את יכולת הקירור של המכלול הכולל (איור 7‏).

איור 7‏: שילוב של‏ מפזר חום גרפיט Würth Elektronik WE-TGS‏ ‏(TIM 1) עם ממלא מרווח סיליקון‏ WE-TGF‏ (TIM 2‏) יכול לאפשר את השימוש בגוף-קירור גדול יותר מחתימת-השטח של הרכיב החם, ובכך לספק קירור מוגבר. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

הנחיות יישום כלליות

לא משנה באיזה חומר או חומרי TIM משתמשים, ישנן מספר הנחיות יישום כלליות שעל המתכננים לשקול:

• המשטחים של הרכיב ומכלל הקירור חייבים להיות נקיים ויבשים. יש להשתמש במטלית ניגוב או מטוש נטול-מוך ואלכוהול איזופרופיל כדי להסיר כל זיהום משטח.
• כשמשתמשים בחומרי TIM הדורשים דחיסה, יש לדחוס את החומר בלחץ אחיד לרוחב כל המשטח. החומר יכול להינזק אם הלחץ המופעל עולה על ערך נקוב.
• יש להעלים את כל בועות האוויר ו/או המרווחים המשטחיים כדי להשיג את המוליכות התרמית הטובה ביותר.
• טמפרטורות העבודה של חומר ה-TIM חייבות להכיל את השילוב של טמפרטורת הסביבה ועליית הטמפרטורה של הרכיב המקורר.

מסקנות

ניהול תרמי הוא בעיה בחלק גדול של תכנוני מערכות אלקטרוניות. כמתואר, מתכננים יכולים לפנות לתחום רחב של חומרי TIM העשויים ממגוון חומרים, כולל סיליקון, חומרים משני פאזה, גרפיט ופדי קצף. השימוש בחומרי TIM יכול לספק את העכבה התרמית הנמוכה העקבית הדרושה עבור העברת חום אפקטיבית תוך מניעה של כל דאגות הזיהום שיכולות להתעורר כשמשתמשים במשחות או בחומרי גריז תרמיים.

בעוד שמשחות וחומרי גריז מעבירים חום בניצב בלבד, מתכננים יכולים לבחור בין חומרי TIM ממלאי מרווח המוליכים חום בניצב או מפזרי חום שיכולים להוליך חום לצדדים. לבסוף, חומרי TIM רבים זמינים ללא כמות מינימלית להזמנה או עלויות של כלי השמה מיוחדים, דבר העושה אותם לבחירה כלכלית עבור תכנוני ניהול תרמי.

קריאה מומלצת

1. An Introduction to Thermal Management
2. How to Stay Cool: The Basics of Heat Sink Selection and Application