Ne feledkezzünk meg a felületközi hővezető anyagokról

A hőszabályozás területén általában nagy figyelmet fordítanak a ventilátorokra, hűtőbordákra és Peltier-eszközökre, ami miatt könnyen megfeledkezhetünk arról, hogy ezek az alkatrészek milyen módon vannak összeszerelve. A felületközi hővezető anyagok (TIM, thermal interface material) rendkívül fontosak a fent felsorolt egyéb hűtési technikák optimális teljesítményének eléréséhez. A használatuk célja az, hogy a levegőnél jobb hővezető képességű anyaggal töltsék ki a két nem egyenletes felület között lévő apró, mikroszkopikus méretű üregeket. A felületközi hővezető anyagok a hővezetés javítására szolgáló különböző anyagokat tartalmazhatnak, biztosítva a hőtermelő elem, például egy teljesítménytranzisztor hatékony hőátadását egy hűtőelemnek, például hűtőbordának, hővillamos hűtőnek vagy mindkettőnek. Ez a cikk részletesen ismerteti a hővezető képesség és a hőellenállás mibenlétét, miközben magas szintű alapismereteket nyújt a tervezőmérnökök számára elérhető különböző felületközi hővezetőanyag-fajtákról.

1. ábra: Egy alapszintű ábra, amely bemutatja, hogyan töltik ki a felületközi hővezető anyagok két nem egyenletes felület között a légréseket (kép: Same Sky)

A hővezető képesség áttekintése

Ahhoz, hogy teljes mértékben felfogjuk, hogyan javíthatja a mikroszkopikus üregek kitöltése a hőátadást, elengedhetetlen a hővezetés világos megértése. A hővezető képesség az anyag hőátadó képességét jelenti, és nem függ az adott alkatrész méretétől. Ennek a paraméternek a mértékegysége általában a teljesítménynek, valamint a hossz és a hőmérséklet szorzatának a hányadosaként fejezhető ki, és szokásos mértékegységei a W/m°C és a W/mK. Meg kell jegyezni, hogy mivel a kelvinskálán egy egység egy Celsius-foknak felel meg, a számítások során csak a relatív hőmérséklet-változás számít, nem pedig az abszolút érték.

A hűtés esetében mindig a nagyobb hővezető képesség a kívánatosabb. A rossz hővezető képességű anyagokat kis hőátadási sebesség jellemzi, míg a jó hővezető képességű anyagok gyorsabb hőátadást tesznek lehetővé. Összehasonlításképpen: a levegő hővezető képessége mindössze 0,0263 W/mK, amely körülbelül két nagyságrenddel kisebb, mint a felületközi hővezető anyagoké. Ha az alkatrész és a hűtőborda között légrések vannak, a hőelvezetés nem lesz problémamentes. Azzal, hogy ezeket az üregeket a levegőnél lényegesen jobb hővezető képességű felületközi hővezető anyaggal töltik ki, hatékonyabb hőátadás érhető el.

A hőellenállás áttekintése

A hőellenállás vagy hőimpedancia ellenben nagymértékben függ az alkatrész alakjától, és a hőmérséklet és a teljesítmény hányadosaként fejezhető ki, azaz a mértékegysége általában Celsius-fok per watt (°C/W) vagy kelvin per watt (K/W). Bár a Same Sky Overview of Thermal Management (A hőkezelés áttekintése) és How to Select a Heatsink (A megfelelő hűtőborda kiválasztása) című blogja részletesen foglalkozik a hőellenállással, most mi is adunk itt egy gyors összefoglalót. A °C/W (vagy K/W) mértékegységgel megadott hőellenállás azt mutatja, hogy egy csomópont hány Celsius-fokkal (kelvinnel) lesz melegebb 1 W leadott teljesítményenként. Ha például egy 4 W teljesítményt leadó csomópont hőellenállása 10 °C/W, akkor a környezeti hőmérséklethez képest 40 Celsius-fokkal nő a csomópont hőmérséklete. A hőellenállás értékét gyakran egy adott közegre és területre, például egy TO-220-as tokozásra és a levegőre vonatkozóan adják meg, hűtőborda nélkül.

Ha több eszközt építenek össze, az így kapott eszközre új hőellenállási értéket adnak meg. Ez a hőellenállási érték azonban feltételezi, hogy a két felület között tökéletes az érintkezés, ami nem mindig van így. Ilyen helyzetekben valamilyen felületközi hővezető anyagot használnak, hogy az ideálist minél jobban közelítő körülményeket teremtsenek. Bár ez javítja a hőátadást, egyúttal bonyolultabbá is teszi a számításokat, mert a számítások során a felületközi hővezető anyagok hőellenállását is figyelembe kell venni. Ironikusnak tűnhet, hogy miközben a felületközi hővezető anyag csökkenti a két tárgy közötti hőellenállást, mégis van saját hőellenállása. Ez az érték nem elhanyagolható, de a felületközi hővezető anyag még mindig jelentősen nagyobb mértékben csökkenti a két objektum közötti hőellenállást, mint amennyivel a saját hőellenállása növeli azt. Ez a hőellenállás a használt felületközi hővezető anyag típusától függően vagy meg van adva, vagy kiszámítható a felületközi hővezető anyag vastagsága és azon felület alapján, amelyre fel van hordva.

2. ábra: Példa az egyes eszközökben esetlegesen figyelembe veendő jellegzetes hőellenállási útvonalakra (kép: Same Sky)

A felületközi hővezető anyagok gyakori fajtái

A felületközi hővezető anyagok, amelyek lehetnek gélek, zsírok, paszták vagy lapok, változatos megoldásokat kínálnak a hűtés jelentette kihívások kezelésére. Fentiek közül a hővezető paszták, beleértve a géleket és zsírokat is, a nagy hővezető képességükről, rugalmasságukról és a nagyobb hézagok kitöltésére való képességükről ismertek. A paszta felhordása azonban bonyolult lehet, különösen egyenetlen felületeken, és nem mindig ad egyenletes eredményt. A túl sok felhordott anyag az általános hatásfok csökkenését is eredményezheti, míg az elégtelen mennyiség veszélyeztetheti a hűtési teljesítményt. Ezenkívül a fémalapú paszták, amelyeknek kiváló a hővezető képességük, villamossági problémákat okozhatnak, ha a nyomtatott áramköri lapra kerülnek. A kerámia- vagy szénalapú paszták biztonságosabb megoldást jelenthetnek, de a hűtési hatásfokuk gyakran nincs olyan jó, mint a fémalapú pasztáké.

Ezzel szemben a hővezető lapok szilikonból vagy nem szilikon elasztomerekből készült szilárd felületközi hővezető anyagok, de számos más anyagból készült változatban is kaphatóak. A Same Sky hővezető lapjai például öntapadóak, villamosan szigeteltek, és különböző, 1,0 és 6,0 W/mK közötti hővezetési jellemzőkkel rendelkeznek. A hővezető lapok egyik fő előnye a pasztákkal szemben az egyszerű használat. A Same Sky hővezető lapjai alakra vannak vágva, hogy illeszkedjenek a Peltier-eszközök alakjához, ami időt takarít meg és nagyobb kényelmet jelent az összeszerelés során, mintha nagy lapokat vásárolnánk, majd mi magunk vágnák méretre őket. A hővezető lapok egyenletesebb hővezető közeget és tisztább környezetet kínálnak, és jobb az újrafelhasználhatóságuk, mint a hővezető pasztáké.

Azokban az esetekben azonban, amikor a felhasználóknak különböző méretű és alakú eszközöket kell használniuk, a hővezető paszta a sokoldalúsága miatt továbbra is előnyösebb. A hővezető paszta a hobbisták körében is népszerű, mert olcsó, és kis tubusokban könnyen beszerezhető, így nincs szükség pontos méretekre és méretezésre. Ez kényelmes megoldást jelent a kisebb munkákhoz és az egyedi készülékek összeállításához. Egy gyors összefoglaló a felületközi hővezető anyagok különböző fajtáiról:

1. táblázat: A felületközi hővezető anyagok fajtáinak összefoglalása (táblázat: Same Sky)

Összegzés

A jó hatásfokú hűtés összetett probléma, amely számos stratégiát és megoldást igényel. Elengedhetetlen, hogy úgy tekintsünk a felületközi hővezető anyagokra, mint a teljes rendszer kulcsfontosságú összetevőire. Akár prototípuskészítésre, akár a tömeggyártásra való áttérésnél, akár csak barkácsolásjellegű hobbimunkákhoz használunk felületközi hővezető anyagokat, a szükségességük okainak és a funkciójuk mögött meghúzódó mechanizmusoknak a megértése jelentős különbséget jelenthet a készülék hűtési teljesítményében.