Pastas termicamente condutoras, adesivos, compostos e interfaces térmicas isolantes — finalidade e aplicação

Para melhorar a qualidade da transferência de calor de uma superfície que precisa ser efetivamente resfriada para um dispositivo projetado para recuperar esse calor, são utilizadas as chamadas interfaces térmicas.

Uma interface térmica é uma camada, geralmente de um composto termicamente condutor multicomponente, geralmente uma pasta ou composto.

As interfaces térmicas mais populares atualmente são aquelas usadas para componentes microeletrônicos em computadores: para processadores, para chips de placas de vídeo, etc. As interfaces térmicas são amplamente utilizadas em outros eletrônicos, onde os circuitos de energia também sofrem alto aquecimento e, portanto, precisam de resfriamento eficiente e de alta qualidade... As interfaces térmicas também são aplicáveis ​​em todos os tipos de sistemas de fornecimento de calor.

De uma forma ou de outra, vários compostos termicamente condutores são utilizados na produção de eletrônica de potência, rádio eletrônica, equipamentos de computação e medição, em dispositivos com sensores de temperatura, etc., ou seja, onde geralmente existem componentes aquecidos pela corrente operacional ou por alguma outra maneira. com grande dissipação de calor. Hoje existem interfaces térmicas das seguintes formas: pasta, cola, composto, metal, junta.

Pasta de transferência de calor

Pasta térmica ou simplesmente pasta térmica é uma forma muito comum de interface térmica moderna. É uma mistura plástica multicomponente com boa condutividade térmica. As pastas térmicas são usadas para reduzir a resistência térmica entre duas superfícies de contato, por exemplo, entre um chip e um dissipador de calor.

Graças à pasta termicamente condutora, o ar com sua baixa condutividade térmica entre o radiador e a superfície resfriada é substituído por uma pasta com condutividade térmica significativamente maior.

As pastas russas mais comuns são KPT-8 e AlSil-3. As pastas Zalman, Cooler Master e Steel Frost também são populares.

Os principais requisitos para a pasta termicamente condutora são que ela tenha a menor resistência térmica possível, que retenha de forma estável suas propriedades ao longo do tempo e em toda a faixa de temperaturas de trabalho, que seja fácil de aplicar e lavar e, em alguns casos, é útil que existam propriedades de isolamento elétrico.

A produção de pastas termicamente condutoras está relacionada com a utilização dos melhores componentes termicamente condutores e cargas com condutividade térmica suficientemente elevada.

Pós e misturas microdispersas e nanodispersas à base de tungstênio, cobre, prata, diamante, óxido de zinco e alumínio, nitreto de alumínio e boro, grafite, grafeno, etc.

O aglutinante na composição da pasta pode ser óleo mineral ou sintético, várias misturas e líquidos de baixa volatilidade. Existem pastas térmicas cujo aglutinante é polimerizado ao ar.

Ocorre que para aumentar a densidade da pasta, são adicionados à sua composição componentes facilmente vaporizáveis ​​para que quando aplicada a pasta fique líquida e então se transforme em uma interface térmica com alta densidade e condutividade térmica. As composições de condutividade térmica deste tipo têm a propriedade característica de atingir a condutividade térmica máxima após 5 a 100 horas de operação normal.

Existem pastas à base de metal que são líquidas à temperatura ambiente. Essas pastas consistem em gálio e índio puros, bem como ligas baseadas neles.

As melhores e mais caras pastas são feitas de prata. Pastas à base de óxido de alumínio são consideradas ótimas. A prata e o alumínio conferem a menor resistência térmica do produto final. As pastas à base de cerâmica são mais baratas, mas também menos eficazes.

A pasta térmica mais simples pode ser feita misturando o pó de chumbo de um lápis de grafite comum esfregado em uma lixa com algumas gotas de óleo lubrificante mineral.

Conforme observado acima, um uso comum de pasta térmica é como interfaces térmicas em dispositivos eletrônicos quando necessário e aplicada entre um elemento gerador de calor e uma estrutura de dissipação de calor, por exemplo, entre um processador e um refrigerador.

A principal coisa a observar ao usar pasta termicamente condutora é manter a espessura da camada no mínimo. Para conseguir isso, é necessário seguir rigorosamente as recomendações do fabricante da pasta.

Um pouco de pasta é aplicada na área de contato térmico das duas partes e depois simplesmente esfarelada pressionando as duas superfícies juntas. Assim, a pasta preencherá os menores sulcos nas superfícies e contribuirá para a formação de um ambiente homogêneo para distribuição e transferência de calor para o exterior.

A graxa térmica é boa para resfriar vários conjuntos e componentes eletrônicos, cuja liberação de calor é maior do que o permitido para um determinado componente, dependendo do tipo e características de um caso específico. Microcircuitos e transistores de fontes de alimentação de comutação, scanners lineares de dispositivos de lâmpada de imagem, estágios de potência de amplificadores acústicos, etc. São lugares comuns para usar pasta térmica.

Adesivo de transferência de calor

Quando o uso de pasta condutora de calor é impossível por algum motivo, por exemplo, devido à incapacidade de pressionar firmemente os componentes entre si com fixadores, eles recorrem ao uso de cola condutora de calor. O dissipador de calor é simplesmente colado ao transistor, processador, chip, etc.

A conexão acaba sendo inseparável, portanto requer uma abordagem altamente precisa e conformidade com a tecnologia para uma colagem correta e de alta qualidade. Se a tecnologia for violada, a espessura da interface térmica pode ser muito grande e a condutividade térmica da junta se deteriorará.

Misturas de envasamento termicamente condutoras

Quando, além de alta condutividade térmica, é necessária hermeticidade, resistência elétrica e mecânica, os módulos resfriados são simplesmente preenchidos com uma mistura polimerizável, que tem como objetivo transferir o calor do componente aquecido para a carcaça do dispositivo.

Se o módulo resfriado deve dissipar muito calor, o composto também deve ter resistência suficiente ao aquecimento, ciclagem térmica e ser capaz de suportar o estresse térmico resultante do gradiente de temperatura dentro do módulo.

Metais de baixo ponto de fusão

As interfaces térmicas estão ganhando cada vez mais popularidade com base na soldagem de duas superfícies com um metal de baixo ponto de fusão. Se a tecnologia for aplicada corretamente, é possível obter baixa condutividade térmica recorde, mas o método é complexo e carrega muitas limitações.

Antes de tudo, é necessário preparar qualitativamente as superfícies de contato para instalação, dependendo do material, isso pode ser uma tarefa difícil.

Nas indústrias de alta tecnologia, é possível soldar qualquer metal, embora alguns deles exijam uma preparação especial da superfície. Na vida cotidiana, apenas metais que se prestam bem ao estanhamento serão ligados qualitativamente: cobre, prata, ouro, etc.

Cerâmica, alumínio e polímeros não se prestam de forma alguma ao estanhamento, com eles a situação é mais complicada, aqui não será possível conseguir o isolamento galvânico das peças.

Antes de iniciar a soldagem, as futuras superfícies a serem unidas devem ser limpas de qualquer sujeira. É importante fazê-lo de forma eficaz, para limpá-lo de vestígios de corrosão, porque a baixas temperaturas, os fluxos geralmente não ajudam.

A limpeza geralmente é feita mecanicamente com álcool, éter ou acetona. É por isso que às vezes um pano duro e um pano com álcool estão presentes na embalagem da interface térmica.O trabalho deve ser feito com luvas, pois a graxa que pode ser obtida com as mãos certamente prejudicará a qualidade da solda.

A própria solda deve ser feita com aquecimento e respeitando a resistência especificada pelo fabricante. Algumas das interfaces térmicas industriais exigem o pré-aquecimento obrigatório das partes conectadas a 60-90 °C e isso pode ser perigoso para alguns componentes eletrônicos sensíveis. O aquecimento inicial geralmente é feito com um secador de cabelo e, em seguida, a soldagem é concluída pelo autoaquecimento do dispositivo de trabalho.

As interfaces térmicas deste tipo são vendidas na forma de folha de glória com um ponto de fusão ligeiramente acima da temperatura ambiente, bem como na forma de pastas. Por exemplo, a liga de Fields na forma de folha tem um ponto de fusão de 50 ° C. Galinstan na forma de pasta derrete à temperatura ambiente. Ao contrário da folha, as pastas são mais difíceis de usar porque devem ser muito bem incorporadas nas superfícies a serem soldadas, enquanto a folha requer apenas um aquecimento adequado durante a montagem.

Juntas de isolamento

Na eletrônica de potência, o isolamento elétrico entre a transferência de calor e os elementos do dissipador de calor é frequentemente necessário. Portanto, quando a pasta termicamente condutora não é adequada, são usados ​​substratos de silicone, mica ou cerâmica.

Almofadas macias flexíveis são feitas de silicone, almofadas duras são feitas de cerâmica. Existem placas de circuito impresso baseadas em uma folha de cobre ou alumínio coberta por uma fina camada de cerâmica, sobre a qual são aplicados vestígios de folha de cobre.

Normalmente são pranchas de um lado, de um lado da pista, e do outro há uma superfície para fixação ao radiador.

Além disso, em casos especiais, são produzidos componentes de potência nos quais a parte metálica da caixa, que é fixada ao radiador, é imediatamente coberta com uma camada de epóxi.

Características do uso de interfaces térmicas

Ao aplicar e remover a interface térmica, é necessário seguir rigorosamente as recomendações de seu fabricante, bem como do fabricante do dispositivo resfriado (resfriamento). É importante ter cuidado especial ao trabalhar com interfaces térmicas eletricamente condutivas, pois seu excesso pode atingir outros circuitos e causar um curto-circuito.