Nezapomeňte na materiály tepelného rozhraní

V oblasti regulace tepla je věnována velká pozornost ventilátorům, chladičům a Peltierovým článkům, což dává příležitost k opomíjení způsobu sestavování těchto součástí. Materiál tepelného rozhraní (TIM) je kriticky důležitý pro zajištění optimální výkonnosti těchto dalších technik regulace tepla. Účelem rozhraní TIM je vyplnit drobné mikroskopické dutiny přítomné mezi dvěma nestejnorodými povrchy látkou, která vykazuje lepší tepelnou vodivost než vzduch. Rozhraní TIM mohou obsahovat různé materiály používané ke zvýšení tepelné vodivosti zajišťující účinný přenos tepelné energie z prvku generujícího teplo, například z výkonového tranzistoru, do zařízení na odvod tepla, například chladiče, termoelektrického chladiče nebo obou. Tento článek se zaměří na podrobnější definici tepelné vodivosti a impedance a zároveň vysvětlí odborné základy různých typů TIM, které má konstruktér k dispozici.

Obrázek 1: základní znázornění rozhraní TIM vyplňujícího vzduchové mezery mezi dvěma nestejnorodými povrchy. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Základy tepelné vodivosti

Plné pochopení, proč vyplnění těchto mikroskopických dutin zvyšuje přenos tepla, vyžaduje důkladné porozumění tepelné vodivosti. Tepelná vodivost je měřítkem schopnosti materiálu přenášet teplo a není závislá na velikosti dané součásti. Tento parametr je obecně kvantifikován v jednotkách výkonu dělených plochou krát teplota, například W/m°C nebo W/m*K. Vzhledem k tomu, že jednotka na Kelvinově stupnici odpovídá jednomu stupni Celsia, při provádění výpočtů je relevantní pouze relativní změna teploty, nikoli absolutní hodnota.

Při řešení odvodu tepla je vždy žádoucí vyšší tepelná vodivost. Materiály s nízkou tepelnou vodivostí vykazují nízkou rychlost přenosu tepla, zatímco materiály s vysokou tepelnou vodivostí umožňují rychlejší přenos tepla. Pro kontext, tepelná vodivost vzduchu je pouze 0,0263 W/m*K, což je přibližně o dva řády méně než tepelná vodivost materiálů tepelného rozhraní. Pokud jsou mezi součástí a chladičem vzduchové mezery, odvod tepla bude blokován. Vyplněním těchto dutin materiálem TIM, který vykazuje výrazně vyšší tepelnou vodivost než vzduch, je dosaženo efektivnějšího přenosu tepla.

Základy tepelného odporu

Na druhé straně platí, že tepelná impedance nebo odpor je velmi závislý na tvaru konkrétní součásti a vyjadřuje se v jednotkách teploty dělených výkonem, tj. ve stupních Celsia na Watt. Zatímco tepelný odpor je podrobně popsán v blozích Základy regulace tepla a Jak vybrat chladič společnosti Same Sky, zde je uvedena rychlá rekapitulace. Tepelný odpor, udávaný v jednotkách C/W, určuje, o kolik stupňů Celsia se spoj oteplí na každý Watt odvedeného výkonu. Pokud má například přechod s výkonem 4 W odpor 10 C/W, zvýší se jeho teplota o 40 stupňů Celsia vzhledem k okolní teplotě. Často se hodnota tepelného odporu uvádí pro konkrétní médium a oblast, například pouzdro TO-220 do vzduchu bez chladiče.

Při integraci více součástí do jednoho celku je přiřazena nová hodnota tepelného odporu. Tato hodnota tepelného odporu však předpokládá, že mezi oběma povrchy existuje dokonalé spojení, což není vždy pravda. V takových situacích se pro vytvoření podmínek co nejbližších ideálnímu stavu používá materiál tepelného rozhraní. Ačkoli takové řešení zlepšuje přenos tepla, zvyšuje také úroveň složitosti, protože do výpočtů je nutné zahrnout tepelný odpor materiálu TIM. Mohlo by se zdát ironické, že zatímco materiál tepelného rozhraní snižuje tepelný odpor mezi dvěma objekty, má také svůj vlastní tepelný odpor. Tato hodnota není zanedbatelná, ale přesto tepelný odpor mezi dvěma objekty podstatně více snižuje, než mu přidává. V závislosti na typu použitého materiálu TIM může být tento tepelný odpor poskytnut nebo musí být vypočten na základě tloušťky TIM a plochy povrchu, na kterou je aplikován.

Obrázek 2: příklad typických cest tepelné impedance, které lze uvažovat v aplikaci. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Běžné typy materiálů tepelného rozhraní

Materiály tepelného rozhraní, které mohou mít podobu gelů, tuků, past či podložek, nabízejí různá řešení problematiky regulace tepla. Patří sem pasty pro tepelné rozhraní včetně gelů a tuků, známé svou vysokou tepelnou vodivostí, flexibilitou a schopností vyplňovat větší mezery. Aplikace pasty však může být komplikovaná, zejména na nerovné povrchy, a nemusí vždy přinést konzistentní výsledky. Nadměrná aplikace může vést ke snížení celkové účinnosti, zatímco nedostatečná aplikace může narušit výkonnost tepelného rozhraní. Platí také, že pasty bázi kovu nabízející vynikající tepelnou vodivost mohou v případě rozlití na desku plošných spojů způsobit elektrické nebezpečí. Keramické pasty nebo pasty na bázi uhlíku mohou být bezpečnější alternativou, jejich tepelná účinnost však nemusí být tak dobrá jako u alternativ na bázi kovu.

Naproti tomu tepelné podložky představují pevná rozhraní TIM vyrobená ze silikonových nebo nesilikonových elastomerů, přičemž k dispozici je také mnoho dalších materiálů. Například tepelné podložky od společnosti Same Sky jsou přirozeně lepivé, elektricky izolované a mají různé hodnoty tepelné vodivosti v rozsahu 1,0 až 6,0 W/m*K. Jednou z hlavních výhod použití tepelných podložek namísto past je jejich snadná aplikace. Tepelné podložky od společnosti Same Sky jsou předem nařezané tak, aby odpovídaly jejím profilům Peltierových článků, což šetří čas a nabízí větší pohodlí při montáži ve srovnání s nákupem velkých archů materiálu podložek a jejich řezáním na požadovanou velikost. Tepelné podložky také poskytují větší konzistenci, méně nepořádku a jsou vícenásobně použitelné než tepelné pasty.

V situacích, kdy se uživatelé setkávají s různými zařízeními a velikostmi, zůstává tepelná pasta preferovanou možností díky své všestrannosti. Tepelná pasta je také oblíbená mezi kutily, protože je levná a snadno dostupná v malých tubách, což eliminuje potřebu přesných měření a dimenzování. Díky tomu je pohodlnou volbou pro malé projekty a jednorázové aplikace. Zde je stručný přehled různých možností materiálů TIM:

Tabulka 1: Souhrn možností materiálů tepelného rozhraní. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Závěr

Účinná regulace tepla je komplexní problém, který vyžaduje řadu strategií a řešení. Je důležité nepřehlížet význam materiálů tepelného rozhraní jako klíčové součásti celého systému. Pochopení důvodů nezbytnosti materiálů tepelného rozhraní a mechanismů jejich funkčnosti může přinést významné zlepšení tepelné výkonnosti návrhu, ať již jde o fázi prototypu, přechod do výroby nebo jen použití materiálů tepelného rozhraní pro kutilské projekty.