المعاجين والمواد اللاصقة والمركبات الموصلة حرارياً والواجهات الحرارية العازلة - الغرض والتطبيق
لتحسين جودة نقل الحرارة من سطح يحتاج إلى تبريد فعال إلى جهاز مصمم لاستعادة هذه الحرارة ، يتم استخدام ما يسمى بالواجهات الحرارية.
الواجهة الحرارية عبارة عن طبقة ، عادةً ما تكون من مركب متعدد المكونات موصل حراريًا ، وعادة ما يكون معجونًا أو مركبًا.
أكثر الواجهات الحرارية شيوعًا اليوم هي تلك المستخدمة للمكونات الإلكترونية الدقيقة في أجهزة الكمبيوتر: للمعالجات وشرائح بطاقة الفيديو وما إلى ذلك. تُستخدم الواجهات الحرارية على نطاق واسع في الإلكترونيات الأخرى ، حيث تتعرض دوائر الطاقة أيضًا للتدفئة العالية وبالتالي تحتاج إلى تبريد فعال وعالي الجودة ... كما أن الواجهات الحرارية قابلة للتطبيق في جميع أنواع أنظمة الإمداد الحراري.
بطريقة أو بأخرى ، يتم استخدام العديد من المركبات الموصلة حراريًا في إنتاج إلكترونيات الطاقة ، وإلكترونيات الراديو ، ومعدات الحوسبة والقياس ، في الأجهزة المزودة بأجهزة استشعار درجة الحرارة ، وما إلى ذلك ، أي حيث توجد عادةً مكونات يتم تسخينها بواسطة تيار التشغيل أو بطريقة أخرى مع تبديد حرارة كبير. يوجد اليوم واجهات حرارية من الأشكال التالية: معجون ، غراء ، مركب ، معدن ، حشية.
معجون نقل الحرارة
المعجون الحراري أو المعجون الحراري ببساطة هو شكل شائع جدًا للواجهة الحرارية الحديثة. إنه خليط بلاستيكي متعدد المكونات مع توصيل حراري جيد. تُستخدم المعاجين الحرارية لتقليل المقاومة الحرارية بين سطحين متصلين ، على سبيل المثال بين الرقاقة والمبدد الحراري.
بفضل العجينة الموصلة حراريًا ، يتم استبدال الهواء بموصلية حرارية منخفضة بين المبرد والسطح المبرد بعجينة ذات موصلية حرارية أعلى بكثير.
أكثر المعاجين الروسية الصنع شيوعًا هي KPT-8 و AlSil-3. كما تحظى معاجين Zalman و Cooler Master و Steel Frost بشعبية.
تتمثل المتطلبات الرئيسية للمعجون الموصّل حرارياً في أن يكون لديه أقل مقاومة حرارية ممكنة ، وأنه يحتفظ بخصائصه بثبات بمرور الوقت وطوال النطاق الكامل لدرجات حرارة العمل ، ويسهل تطبيقه وغسله ، وفي بعض الحالات من المفيد أن هناك مناسبة خصائص العزل الكهربائي.
يرتبط إنتاج المعاجين الموصلة حراريًا باستخدام أفضل المكونات الموصلة للحرارة والمواد المالئة ذات الموصلية الحرارية العالية بدرجة كافية.
مساحيق ومخاليط مشتتة وموزعة بالنانو على أساس التنجستن والنحاس والفضة والماس والزنك وأكسيد الألومنيوم والألمنيوم ونتريد البورون والجرافيت والجرافين ، إلخ.
يمكن أن يكون الموثق الموجود في تكوين العجينة عبارة عن زيت معدني أو صناعي ، ومخاليط وسوائل مختلفة منخفضة التطاير. هناك معاجين حرارية يتم بلمرة رابطها في الهواء.
يحدث أنه من أجل زيادة كثافة العجينة ، تتم إضافة مكونات التبخير بسهولة إلى تركيبتها بحيث يصبح المعجون سائلاً عند تطبيقه ثم يتحول إلى واجهة حرارية ذات كثافة عالية وموصلية حرارية. تتميز تركيبات الموصلية الحرارية من هذا النوع بخاصية مميزة للوصول إلى أقصى قدر من التوصيل الحراري بعد 5 إلى 100 ساعة من التشغيل العادي.
توجد معاجين معدنية سائلة في درجة حرارة الغرفة. تتكون هذه المعاجين من الغاليوم والإنديوم النقي ، وكذلك السبائك القائمة عليها.
أفضل وأغلى المعاجين مصنوعة من الفضة. تعتبر المعاجين التي تعتمد على أكسيد الألومنيوم هي الأمثل. يعطي الفضة والألمنيوم أقل مقاومة حرارية للمنتج النهائي. تعتبر المعاجين المصنوعة من السيراميك أرخص ثمناً ولكنها أقل فعالية أيضًا.
يمكن صنع أبسط معجون حراري عن طريق خلط مسحوق الرصاص لقلم رصاص عادي من الجرافيت يُفرك على ورق الصنفرة مع بضع قطرات من زيت التشحيم المعدني.
كما هو مذكور أعلاه ، فإن الاستخدام الشائع للمعجون الحراري هو واجهات حرارية في الأجهزة الإلكترونية عند الحاجة ويتم تطبيقها بين عنصر توليد الحرارة وهيكل تشتيت الحرارة ، على سبيل المثال بين المعالج والمبرد.
الشيء الرئيسي الذي يجب ملاحظته عند استخدام معجون موصل حراريًا هو الحفاظ على سمك الطبقة عند الحد الأدنى. لتحقيق ذلك ، من الضروري اتباع توصيات الشركة المصنعة للمعجون بدقة.
يتم وضع عجينة صغيرة على منطقة التلامس الحراري للجزئين ثم تنهار ببساطة أثناء الضغط على السطحين معًا. وبالتالي ، فإن العجينة سوف تملأ أصغر الحفر على الأسطح وستساهم في تكوين بيئة متجانسة لتوزيع ونقل الحرارة إلى الخارج.
يعتبر الشحوم الحرارية جيدة لتبريد مجموعات ومكونات مختلفة للإلكترونيات ، حيث يكون إطلاق الحرارة أعلى من المسموح به لمكون معين ، اعتمادًا على نوع وخصائص حالة معينة. الدوائر الدقيقة والترانزستورات الخاصة بتبديل إمدادات الطاقة ، والماسحات الضوئية الخطية لأجهزة مصابيح الصورة ، ومراحل الطاقة لمكبرات الصوت ، إلخ. إنها أماكن شائعة لاستخدام المعجون الحراري.
لاصق نقل الحرارة
عندما يكون استخدام معجون موصل للحرارة مستحيلًا لسبب ما ، على سبيل المثال ، بسبب عدم القدرة على الضغط بإحكام على المكونات مع بعضها البعض باستخدام المثبتات ، فإنهم يلجأون إلى استخدام غراء موصل للحرارة. يتم لصق غرفة التبريد ببساطة على الترانزستور والمعالج والشريحة وما إلى ذلك.
تبين أن الاتصال لا ينفصل ، لذلك يتطلب نهجًا عالي الدقة والامتثال للتكنولوجيا من أجل لصق صحيح وعالي الجودة. إذا تم انتهاك التقنية ، فقد يتضح أن سمك الواجهة الحرارية كبير جدًا وسوف تتدهور الموصلية الحرارية للمفصل.
خلطات بوتينغ موصلة حرارياً
عندما تكون هناك حاجة ، بالإضافة إلى الموصلية الحرارية العالية ، والمحكم ، والقوة الكهربائية والميكانيكية ، فإن الوحدات المبردة تمتلئ ببساطة بمزيج قابل للبلمرة ، وهو مصمم لنقل الحرارة من المكون المسخن إلى غلاف الجهاز.
إذا كان يجب على الوحدة المبردة أن تبدد الكثير من الحرارة ، فيجب أن يتمتع المركب أيضًا بمقاومة كافية للتدفئة ، والدورة الحرارية ، وأن يكون قادرًا على تحمل الإجهاد الحراري الناتج عن تدرج درجة الحرارة داخل الوحدة.
معادن انصهار منخفضة
تكتسب الواجهات الحرارية شعبية متزايدة بناءً على لحام سطحين بمعدن منخفض الانصهار. إذا تم تطبيق التقنية بشكل صحيح ، فمن الممكن الحصول على موصلية حرارية منخفضة قياسية ، لكن الطريقة معقدة وتنطوي على العديد من القيود.
بادئ ذي بدء ، من الضروري تحضير أسطح التزاوج نوعيًا للتركيب ، اعتمادًا على موادها ، قد تكون هذه مهمة صعبة.
في الصناعات عالية التقنية ، من الممكن لحام أي معادن ، على الرغم من أن بعضها يتطلب إعدادًا خاصًا للسطح. في الحياة اليومية ، سيتم ربط المعادن التي تصلح للتعليب بشكل جيد فقط: النحاس ، والفضة ، والذهب ، إلخ.
السيراميك والألمنيوم والبوليمرات لا تصلح للتعليب على الإطلاق ، فالوضع معهم أكثر تعقيدًا ، وهنا لن يكون من الممكن تحقيق عزل كلفاني للأجزاء.
قبل بدء اللحام ، يجب تنظيف الأسطح المستقبلية المراد ربطها من أي أوساخ. من المهم القيام بذلك بشكل فعال ، لتنظيفه من آثار التآكل ، لأنه في درجات الحرارة المنخفضة لن تساعد التدفقات بشكل عام.
يتم التنظيف عادةً ميكانيكيًا باستخدام الكحول أو الأثير أو الأسيتون. لهذا الغرض ، توجد قطعة قماش صلبة وممسحة كحولية في بعض الأحيان في حزمة الواجهة الحرارية.يجب أن يتم العمل باستخدام القفازات ، لأن الشحوم التي يمكن الحصول عليها من اليدين ستؤدي بالتأكيد إلى تدهور جودة اللحام.
يجب أن يتم اللحام نفسه بالتسخين والامتثال للقوة المحددة من قبل الشركة المصنعة. تتطلب بعض الواجهات الحرارية الصناعية تسخينًا مسبقًا إلزاميًا للأجزاء المتصلة إلى 60-90 درجة مئوية ، وقد يكون ذلك خطيرًا على بعض المكونات الإلكترونية الحساسة. عادة ما يتم التسخين الأولي باستخدام مجفف الشعر ، ثم يتم الانتهاء من اللحام بالتسخين الذاتي لجهاز العمل.
تُباع الواجهات الحرارية من هذا النوع على شكل رقائق مجد ذات نقطة انصهار أعلى قليلاً من درجة حرارة الغرفة ، وكذلك في شكل معاجين. على سبيل المثال ، سبيكة فيلدز على شكل رقائق لها نقطة انصهار تبلغ 50 درجة مئوية. يذوب جالينستان على شكل عجينة في درجة حرارة الغرفة. على عكس الرقائق ، يكون استخدام المعاجين أكثر صعوبة لأنه يجب أن يكون مدمجًا جيدًا في الأسطح ليتم لحامها ، بينما لا يتطلب الرقاقة سوى تسخين مناسب أثناء التجميع.
جوانات العزل
في إلكترونيات الطاقة ، غالبًا ما يكون العزل الكهربائي بين عناصر نقل الحرارة والمشتت الحراري مطلوبًا. لذلك ، عندما لا تكون العجينة الموصلة حراريًا مناسبة ، يتم استخدام ركائز السيليكون أو الميكا أو السيراميك.
الوسادات الناعمة المرنة مصنوعة من السيليكون ، الوسادات الصلبة مصنوعة من السيراميك. توجد لوحات دوائر مطبوعة تعتمد على ورقة نحاسية أو ألمنيوم مغطاة بطبقة رقيقة من السيراميك ، توضع عليها آثار من رقائق النحاس.
عادة ما تكون هذه الألواح أحادية الجانب ، على جانب واحد من المسار ، وعلى الجانب الآخر يوجد سطح للتوصيل بالرادياتير.
بالإضافة إلى ذلك ، في حالات خاصة ، يتم إنتاج مكونات الطاقة التي يتم فيها تغطية الجزء المعدني من الهيكل ، المتصل بالرادياتير ، بطبقة من الإبوكسي على الفور.
ميزات استخدام الواجهات الحرارية
عند تطبيق وإزالة الواجهة الحرارية ، من الضروري اتباع توصيات الشركة المصنعة بدقة ، وكذلك الشركة المصنعة لجهاز التبريد (التبريد). من المهم توخي الحذر بشكل خاص عند العمل مع واجهات حرارية موصلة كهربائيًا ، حيث يمكن أن يدخل فائضها في دوائر أخرى ويسبب قصرًا.