อย่าลืมเกี่ยวกับวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน

ในด้านของการจัดการระบายความร้อนนั้น มีการให้ความสนใจอย่างมากกับพัดลม ฮีทซิงค์ และอุปกรณ์ Peltier ซึ่งอาจทำให้ลืมวิธีการประกอบส่วนประกอบเหล่านี้ไปได้ง่าย ๆ วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) มีความสำคัญสูงสุดในการจัดเตรียมประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของเทคนิคการจัดการระบายความร้อนอื่นๆ เหล่านี้ จุดประสงค์ของ TIMs คือการครอบครองช่องว่างขนาดเล็กจิ๋วที่อยู่ระหว่างพื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอสองพื้นผิวด้วยสารที่มีคุณสมบัตินำความร้อนได้ดีกว่าอากาศ TIM สามารถประกอบด้วยวัสดุต่าง ๆ ที่ใช้เพื่อเพิ่มการนำความร้อน เพื่อให้แน่ใจว่ามีการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพจากองค์ประกอบที่สร้างความร้อน เช่น ทรานซิสเตอร์กำลังไปยังตัวกระจายความร้อน เช่น ฮีทซิงค์ เทอร์โมอิเล็กทริกคูลเลอร์ หรือทั้งสองอย่าง บทความนี้จะทำงานเพื่อกำหนดค่าการนำความร้อนและอิมพีแดนซ์โดยละเอียดยิ่งขึ้น ในขณะที่จัดเตรียมไพรเมอร์ระดับสูงสำหรับ TIM ประเภทต่างๆ ที่มีให้สำหรับวิศวกรออกแบบ

รูปที่ 1: การแสดงพื้นฐานของ TIM ที่เติมช่องว่างอากาศระหว่างพื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอสองพื้นผิว (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

ภาพรวมการนำความร้อน

เพื่อให้เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าการเติมช่องว่างขนาดเล็กเหล่านี้สามารถเพิ่มการถ่ายเทความร้อนได้อย่างไร ความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับการนำความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ การนำความร้อนเป็นการวัดความสามารถของวัสดุในการส่งผ่านความร้อนและไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดของส่วนประกอบที่กำหนด โดยทั่วไป พารามิเตอร์นี้วัดเป็นหน่วยของพลังงานหารด้วยพื้นที่ คูณอุณหภูมิ เช่น W/m°C หรือ W/m*K ควรสังเกตว่า เนื่องจากหนึ่งหน่วยในระดับเคลวินเทียบเท่ากับหนึ่งองศาเซลเซียส เมื่อทำการคำนวณ เฉพาะการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของอุณหภูมิเท่านั้นที่เกี่ยวข้อง ไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์

เมื่อต้องรับมือกับการกระจายความร้อน ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้นจะเป็นที่ต้องการมากกว่าเสมอ วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำจะมีอัตราการถ่ายเทความร้อนต่ำ ในขณะที่วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะช่วยให้ถ่ายเทความร้อนได้รวดเร็วยิ่งขึ้น สำหรับบริบท ค่าการนำความร้อนของอากาศมีค่าเพียง 0.0263 W/m*K ซึ่งน้อยกว่าวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนประมาณสองลำดับ เมื่อมีช่องว่างอากาศระหว่างส่วนประกอบและฮีทซิงค์ การกระจายความร้อนจะถูกขัดขวาง ด้วยการเติมช่องว่างเหล่านี้ด้วย TIM ซึ่งมีค่าการนำความร้อนมากกว่าอากาศอย่างมาก ทำให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ภาพรวมการต้านทานความร้อน

ในทางกลับกัน อิมพีแดนซ์ความร้อนหรือความต้านทานจะขึ้นอยู่กับรูปร่างของส่วนประกอบเฉพาะ และแสดงเป็นหน่วยของอุณหภูมิหารด้วยกำลัง เช่น องศาเซลเซียสต่อวัตต์ ในขณะที่การต้านทานความร้อนมีรายละเอียดอยู่ใน Same Skyภาพรวมของการจัดการความร้อน และวิธีเลือกฮีทซิงค์ บล็อกนี่คือสรุปโดยย่อ ความต้านทานความร้อนซึ่งแสดงเป็นหน่วย C/W เป็นตัวกำหนดว่าจุดเชื่อมต่อจะอุ่นขึ้นกี่องศาเซลเซียสต่อวัตต์ของกำลังไฟฟ้าที่กระจายไป ตัวอย่างเช่น หากจุดเชื่อมต่อที่กระจายกำลังไฟฟ้า 4 วัตต์มีความต้านทาน 10 C/W อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น 40 องศาเซลเซียสเมื่อเทียบกับอุณหภูมิโดยรอบ บ่อยครั้ง ค่าความต้านทานความร้อนจะอ้างอิงสำหรับตัวกลางและพื้นที่เฉพาะ เช่น บรรจุภัณฑ์ TO-220 ที่ระบายอากาศโดยไม่มีฮีทซิงค์

เมื่อรวมอุปกรณ์หลายตัวเข้าด้วยกัน จะมีการกำหนดค่าการต้านทานความร้อนใหม่ อย่างไรก็ตาม ค่าความต้านทานความร้อนนี้ถือว่ามีการเชื่อมต่อที่สมบูรณ์แบบระหว่างพื้นผิวทั้งสอง ซึ่งไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป ในสถานการณ์เช่นนี้ จะใช้วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนเพื่อสร้างสภาวะที่ใกล้เคียงกับอุดมคติมากที่สุด แม้ว่าสิ่งนี้จะช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อน แต่ก็ยังเพิ่มระดับของความซับซ้อน เนื่องจากจะต้องรวมความต้านทานความร้อนของ TIM ไว้ในการคำนวณด้วย อาจดูเป็นเรื่องน่าขันที่แม้ว่าวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนจะลดความต้านทานความร้อนระหว่างวัตถุ 2 ชิ้น แต่ก็มีความต้านทานความร้อนในตัวมันเองด้วย ค่านี้ไม่มีนัยสำคัญ แต่ยังคงลดความต้านทานความร้อนระหว่างวัตถุสองชิ้นได้มากกว่าที่เพิ่มเข้าไป ขึ้นอยู่กับประเภทของ TIM ที่ใช้ ความต้านทานความร้อนนี้อาจมีให้หรือจำเป็นต้องคำนวณตามความหนาของ TIM และพื้นที่ผิวที่ใช้

รูปที่ 2: ตัวอย่างของเส้นทางอิมพีแดนซ์ความร้อนโดยทั่วไปที่อาจนำมาพิจารณาในการใช้งาน (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนประเภททั่วไป

วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน ซึ่งอาจอยู่ในรูปของเจล จาระบี เพสต์ และแพด นำเสนอโซลูชั่นที่หลากหลายสำหรับจัดการกับความท้าทายในการจัดการความร้อน ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ สารประสานในการระบายความร้อน ซึ่งรวมถึงเจลและจาระบี เป็นที่รู้จักในด้านการนำความร้อนสูง ความยืดหยุ่น และความสามารถในการเติมช่องว่างขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม การแปะอาจมีความซับซ้อน โดยเฉพาะบนพื้นผิวที่ไม่เรียบและอาจไม่ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอทุกครั้งไป การใช้งานมากเกินไปอาจทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลง ในขณะที่การใช้งานไม่เพียงพออาจทำให้ประสิทธิภาพของอินเทอร์เฟซระบายความร้อนลดลง นอกจากนี้ สารเพสต์ที่เป็นโลหะซึ่งมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่เหนือกว่า อาจสร้างอันตรายจากไฟฟ้าได้หากหกลงบน PCB เพสต์ที่ทำจากเซรามิกหรือคาร์บอนอาจเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่า แต่ประสิทธิภาพเชิงความร้อนอาจไม่ดีเท่าตัวเลือกที่ทำจากโลหะ

ในทางตรงกันข้าม แผ่นกันความร้อนคือ TIM แบบแข็งที่ทำจากซิลิโคนหรืออิลาสโตเมอร์ที่ไม่ใช่ซิลิโคน และยังมีวัสดุอื่นๆ อีกมากมาย ตัวอย่างเช่น แผ่นกันความร้อน จาก Same Sky ซึ่งไม่ได้มีการคัดเลือกที่ดีตามธรรมชาติ มีการแยกทางไฟฟ้าและมีอัตราการนำความร้อนที่แตกต่างกัน ตั้งแต่ 1.0 ถึง 6.0 W/m*K ประโยชน์หลักประการหนึ่งของการใช้แผ่นเชื่อมต่อในการระบายความร้อนแทนการวางคือความง่ายในการใช้งาน แผ่นระบายความร้อนของอุปกรณ์ CUI ถูกตัดล่วงหน้าเพื่อให้ตรงกับโปรไฟล์ของ อุปกรณ์ Peltier ซึ่งช่วยประหยัดเวลาและสะดวกกว่าในการประกอบเมื่อเทียบกับการซื้อวัสดุแพดแผ่นใหญ่แล้วตัดให้เล็กลง แผ่นกันความร้อนยังให้ความสม่ำเสมอมากกว่า วุ่นวายน้อยกว่าและนำมาใช้ซ้ำได้มากกว่าแผ่นกันความร้อน

อย่างไรก็ตาม ในสถานการณ์ที่ผู้ใช้ต้องเผชิญกับอุปกรณ์และขนาดที่หลากหลาย แผ่นกันความร้อนยังคงเป็นตัวเลือกที่ต้องการเนื่องจากความสามารถรอบด้าน เทอร์มอลเพสต์ยังเป็นที่นิยมในหมู่มือสมัครเล่นเนื่องจากมีราคาไม่แพงและหาซื้อได้ง่ายในหลอดขนาดเล็ก ทำให้ไม่จำเป็นต้องวัดและปรับขนาดอย่างแม่นยำ ทำให้เป็นตัวเลือกที่สะดวกสำหรับโครงการขนาดเล็กและแอปพลิเคชันแบบครั้งเดียว ต่อไปนี้เป็นข้อมูลสรุปสั้น ๆ ของตัวเลือก TIM แบบต่าง ๆ:

ตารางที่ 1: สรุปตัวเลือกวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

สรุป

การจัดการความร้อน อย่างมีประสิทธิภาพเป็นปัญหาที่ซับซ้อนที่ต้องใช้กลยุทธ์และวิธีแก้ปัญหาที่หลากหลาย จำเป็นอย่างยิ่งที่จะไม่มองข้ามความสำคัญของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนในฐานะองค์ประกอบหลักของระบบโดยรวม ไม่ว่าจะอยู่ในขั้นตอนต้นแบบ การเปลี่ยนไปสู่การผลิต หรือเพียงแค่ใช้วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนสำหรับโครงการ DIY การทำความเข้าใจเหตุผลความจำเป็นและกลไกเบื้องหลังการทำงานสามารถสร้างความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการระบายความร้อนของการออกแบบ