วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการระบายความร้อนด้วยตัวกระจายความร้อนและวัสดุเติมช่องว่าง
Contributed By DigiKey's North American Editors
2022-02-02
การจัดการความร้อนที่ดีเป็นสิ่งสำคัญในการรับรองประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นแนวคิดที่เรียบง่าย โดยเริ่มจากการถ่ายเทความร้อนที่ไม่เป็นที่ต้องการจากแหล่งกำเนิด และกระจายไปยังบริเวณที่กว้างขึ้น เพื่อการกระจายและระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ในหลายกรณี การนำไปใช้งานจริงอาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย
พื้นผิวของอุปกรณ์กำเนิดความร้อนมักจะไม่เรียบพอที่จะมีความต้านทานความร้อนต่ำที่ต้องการเพื่อการถ่ายเทความร้อนได้ดี ในอุปกรณ์บางอย่างอาจมีพื้นผิวที่ไม่ราบเรียบ ทำให้มีความท้าทายในการจัดการระบายความร้อนเพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้ ส่วนประกอบที่ต้องการการระบายความร้อนอาจอยู่ลึกเข้าไปในระบบ ทำให้การดึงความร้อนออกมาอาจสร้างความเสียหายที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น
สามารถใช้วัสดุผสมนำความร้อนในการปรับปรุงการนำความร้อนได้ แต่จะต้องมีการขอบเขตการใช้งานที่ต้อการเพื่อให้แน่ใจว่ามีการถ่ายเทความร้อนที่ดีและหลีกเลี่ยงการใช้งานมากเกินไป ซึ่งอาจทำให้เกิดการปนเปื้อนของแผงวงจรและส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้ ซึ่งอาจเป็นเรื่องยุ่งยาก นอกจากนี้ วัสดุผสมนำความร้อนไม่สามารถกระจายความร้อนออกด้านข้างจากแหล่งกำเนิดได้
ในทางกลับกัน นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้วัสดุสื่อความร้อนหน้าสัมผัส (TIM) ได้หลายชนิด ซึ่งรวมถึงวัสดุเชื่อมต่อและตัวแผ่กระจายความร้อน เพื่อให้มีความต้านทานความร้อนต่ำอย่างสม่ำเสมอซึ่งจำเป็นต่อการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็ขจัดปัญหาการปนเปื้อนต่าง ๆ เพื่อตอบสนองต่อความต้องการเฉพาะของระบบ TIM จะสามารถจัดโครงสร้างเพื่อถ่ายเทความร้อนในแนวตั้งหรือกระจายความร้อนออกทางด้านข้าง TIM มีจำหน่ายในความหนาหลายระดับ เพื่อให้ตรงกับความต้องการสำหรับการใช้งานเฉพาะ มีความเสถียรเชิงกลที่อุณหภูมิการทำงานสูงขึ้นเพื่อความน่าเชื่อถือที่ดี สามารถให้การแยกทางไฟฟ้าสูง และง่ายต่อการใช้งาน
บทความนี้กล่าวถึงการจัดการระบายความร้อนและแนวทางทั่วไปในการเลือก TIM จากนั้นจะนำเสนอตัวเลือก TIM หลากหลายแบบจาก Würth Elektronik และศึกษาการใช้งานและข้อควรพิจารณาในการออกแบบแต่ละรายการ
TIM คืออะไร
TIM อยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดความร้อนและส่วนระบายความร้อนเพื่อปรับปรุงการจับคู่ทางความร้อนและการไหลของความร้อน ปัจจัยสองประการในการเพิ่มประสิทธิภาพของการจับคู่ทางความร้อน ประการแรกคือความสามารถของ TIM ในการปรับให้เข้ากับความผิดปกติของพื้นผิวระดับจุลภาค โดยขจัดช่องอากาศที่เป็นฉนวนที่ลดการนำความร้อนของผิวสัมผัส (รูปที่ 1) ประการที่สอง TIM มีการนำความร้อนที่จำเป็นในการถ่ายเทความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อนไปยังชุดระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ค่าการนำความร้อน K มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อเมตรต่อองศาเคลวิน (W/mK) ซึ่งวัดโดยใช้มาตรฐาน ASTM D5470 "วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนของวัสดุฉนวนไฟฟ้านำความร้อน"
รูปที่ 1: TIM (สีน้ำเงิน) ใช้เพื่อเติมความผิดปกติระดับจุลภาคที่มีอยู่ในพื้นผิวของส่วนประกอบและส่วนประกอบการทำความเย็นเพื่อปรับปรุงการจับคู่ทางความร้อน (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
นอกจากค่าการนำความร้อนแล้ว ยังมีข้อควรพิจารณาหลายประการในการเลือก TIM:
- ช่วงอุณหภูมิในการทำงานมีความสำคัญ เนื่องจากมีการกำหนดการใช้งานของ TIM ที่ช่วงอุณหภูมิที่ต่างกัน
- ระยะห่างระหว่างพื้นผิวประกบ และความจำเป็นที่ต้องบีบอัด TIM เพื่อให้ถ่ายเทความร้อนได้อย่างเหมาะสม
- ความสามารถในการทนต่อแรงอัดของ TIM
- TIM บางรุ่นมีกาวติดบนพื้นผิวซึ่งช่วยให้ยึดติดด้วยแรงทางกล
- คุณสมบัติของฉนวนไฟฟ้าของ TIM เนื่องจากวัสดุบางชนิดสามารถนำมาใช้ในการแยกทางไฟฟ้าได้
- TIM บางรุ่นมีจำหน่ายเป็นชิ้นส่วนมาตรฐานโดยไม่มีปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำและไม่มีค่าใช้จ่ายด้านเครื่องมือ ขณะที่รุ่นอื่น ๆ มีจำหน่ายในรูปทรงที่กำหนดเองได้ ซึ่งสามารถปรับให้เหมาะสมกับข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ
ตัวเลือกวัสดุเติมช่องว่าง
WE-TGF ซิลิโคนอุดช่องว่างเป็นวัสดุเอนกประสงค์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในงานแรงดันต่ำที่ได้จากการแยกไฟฟ้า โดยที่ TIM จะถูกบีบอัดระหว่าง 10% ถึง 30% ของความหนา การบีบอัดที่เกินระดับที่แนะนำอาจส่งผลให้เกิดการขับให้น้ำมันซิลิโคนออกมา ลดอายุการใช้งานที่คาดไว้ของวัสดุ และอาจทำให้แผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) ปนเปื้อน TIM เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ระหว่างพื้นผิวที่มีกลไกการยึดทางกลระหว่างสองพื้นผิว เนื่องจากไม่มีสารยึดติดเพิ่มเติมนอกเหนือจากความเหนียวตามธรรมชาติ มีความหนาตั้งแต่ 0.5 ถึง 18 มิลลิเมตร (มม.) โดยมีค่าการนำความร้อนระหว่าง 1 ถึง 3 W/mK ความหนาตั้งแต่ 0.5 ถึง 3 มม. รองรับการนำความร้อนในระดับที่สูงขึ้น (รูปที่ 2)
รูปที่ 2: วัสดุเติมช่องว่างนำความร้อนจาก Würth มีให้เพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานที่หลากหลาย (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
ตัวอย่างเช่น หมายเลขชิ้นส่วน 40001020 เป็นแผ่นรองขนาด 400 x 200 มม. ที่มีความหนา 2 มม. โดยมี K เท่ากับ 1 W/mK และค่าความเป็นฉนวนหรือค่าความแตกตัวทางไฟฟ้า (EBR ) 8 kV/mm ลักษณะเฉพาะที่อ่อนนุ่มและเป็นฉนวนไฟฟ้าของวัสดุเติมช่องว่าง WE-TGF ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานระหว่างส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ตั้งแต่หนึ่งชิ้นขึ้นไปกับส่วนระบายความร้อน (รูปที่ 3)
รูปที่ 3: แผ่นวัสดุเติมช่องว่างซิลิโคนอีลาสโตเมอร์ออกแบบมาเพื่อเติมช่องว่างระหว่างส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์หนึ่งชิ้นหรือหลายชิ้นกับส่วนระบายความร้อน เช่น ฮีทซิงค์ แผ่นทำความเย็น หรือตัวเรือนโลหะ (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
สำหรับการใช้งานในการจัดการความร้อนที่ต้องการการแยกด้วยไฟฟ้าและขนาดที่บางลง นักออกแบบสามารถใช้แผ่นฉนวนซิลิโคนนำความร้อน WE-TINS ที่มี K ตั้งแต่ 1.6 ถึง 3.5 W/mK และความหนา 0.23 มม. หมายเลขชิ้นส่วน 404035025 มี K เท่ากับ 3.5 W/mK และ EBR 6 kV/mm เช่นเดียวกับชิ้นส่วนในซีรีส์ WE-TIS 404035025 ผสมผสานยางซิลิโคนที่นำความร้อนและตาข่ายไฟเบอร์กลาส ตาข่ายเพิ่มความแข็งแรงทางกลและทนต่อการเจาะและแรงเฉือน จากคุณสมบัติทางกลของโครงสร้าง TIM สามารถบีบอัดได้ตามต้องการ และมีความต้านทานแรงดึงสูง
วัสดุเปลี่ยนเฟสความร้อนและเทปถ่ายเทความร้อนยังบางกว่า ด้วยขนาดเพียง 0.02 มม. ตัวอย่างเช่นซีรีส์ WE-PCM ของ TIM ที่เปลี่ยนเฟสเปลี่ยนจากของแข็งไปเป็นของเหลวที่อุณหภูมิที่กำหนด ทำให้ส่วนต่อประสานเปียกอย่างสมบูรณ์โดยไม่มีการหกหรือล้น ซึ่งได้รับการออกแบบสำหรับใช้กับวงจรรวมประสิทธิภาพสูงหรือส่วนประกอบพลังงานและชุดระบายความร้อน ตัวอย่างเช่น หมายเลขชิ้นส่วน 402150101020 ขนาด 100 ตารางมิลลิเมตรพร้อมกาวทั้งสองด้าน มีค่า K เท่ากับ 5 W/mK และ EBR 3 kV/mm และอุณหภูมิเปลี่ยนเฟสที่ 55 องศาเซลเซียส (°C)
เทปถ่ายเทความร้อน WE-TTT เป็นเทปสองด้านที่ช่วยให้ยึดติดทางกลของพื้นผิวสัมผัสทั้งสองได้ มี K เท่ากับ 1 W/mK และ EBR 4 kV/mm และออกแบบมาสำหรับการใช้งานแรงดันต่ำ มีความกว้าง 8 มม. (หมายเลขชิ้นส่วน 403012008) และ 50 มม. (หมายเลขชิ้นส่วน 403012050) แบบม้วนยาว 25 เมตร (ม.)
โซลูชันการกระจายความร้อนด้วยกราไฟท์
TIM ที่ใช้กราไฟท์สังเคราะห์มีระดับการนำความร้อนสูงสุด (รูปที่ 4) หมายเลขชิ้นส่วน 4051210297017 ในตระกูล WE-TGS คือตัวกระจายความร้อนกราไฟท์สังเคราะห์ขนาด 297 x 210 มม. โดยมีค่า K ที่ 1800 W/mK ซึ่งไม่มีการแยกไฟฟ้า การผสมผสานระหว่างการนำความร้อนสูง น้ำหนักเบา และความบาง (0.03 มม.) ทำให้แผ่นกราไฟท์เหล่านี้มีประโยชน์ในการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่โมดูลเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงไปจนถึงอุปกรณ์พกพา
รูปที่ 4: ตัวกระจายความร้อนแบบกราไฟท์มีการนำความร้อนสูงในหลายขนาดและมีความหนาเพียง 0.03 มม. (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
ซีรีส์ WE-TGFG นี้รวมแผ่นกราไฟต์เข้ากับแผ่นโฟมเพื่อให้ได้โซลูชันการจัดการระบายความร้อนที่ไม่ซ้ำใครด้วยค่า K ที่ 400 W/mK และ EBR ที่ 1 kV/mm สามารถประดิษฐ์ปะเก็นยาวขึ้นเพื่อใช้เป็นตัวกระจายความร้อน โดยถ่ายเทความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยังส่วนอื่นของระบบระบายความร้อนจากด้านข้างไปยังส่วนอื่นของระบบ (รูปที่ 5) ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วน 407150045015 ความยาว 45 มม. กว้าง 15 มม. และหนา 1.5 มม. และสามารถใช้ในการใช้งานที่เป็นประโยชน์สำหรับการเติมช่องว่างและการถ่ายเทความร้อนด้านข้าง
รูปที่ 5: TIM ที่วางอยู่บนส่วนประกอบที่ร้อนสามารถทำหน้าที่เป็นตัวกระจายความร้อน โดยถ่ายเทความร้อนออกด้านข้างจากส่วนประกอบ (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
การที่จะได้ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้นด้วยแผ่นซิลิกอน เช่น วัสดุเติมช่องว่าง WE-TGF จะต้องทำให้แผ่นบางลง นักออกแบบสามารถหันไปใช้ TIM ตระกูล WE-TGFG เพื่อเติมช่องว่างสูงสุด 25 มม. ด้วยค่าการนำความร้อนที่สูงกว่าที่เป็นไปได้ด้วยแผ่นซิลิโคน และชิ้นส่วน WE-TGFG สามารถผลิตได้ในรูปทรงที่กำหนดเองเพื่อให้พอดีกับพื้นที่ที่ไม่มีระนาบ (รูปที่ 6)
รูปที่ 6: ปะเก็นโฟมกราไฟท์ (ตรงกลาง) สามารถประดิษฐ์ขึ้นด้วยรูปทรงต่างๆ และใช้เพื่อเชื่อมต่อระหว่างแหล่งความร้อน (ด้านล่าง) กับองค์ประกอบกระจายความร้อนแบบไม่มีระนาบ (บน) (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
การใช้งาน TIM ร่วมกันเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
สามารถนำ TIM มาใช้งานร่วมกันเพื่อให้มีประสิทธิภาพในระดับที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น ตัวกระจายความร้อนกราไฟท์ WE-TGS สามารถใช้ร่วมกับวัสดุเติมช่องว่างซิลิโคน WE-TGF เพื่อให้สามารถใช้ฮีทซิงค์ที่มีขนาดใหญ่กว่าแหล่งความร้อน ช่วยเพิ่มความสามารถในการระบายความร้อนของส่วนประกอบโดยรวม (รูปที่ 7)
รูปที่ 7: การใช้ตัวกระจายความร้อนกราไฟท์ WE-TGS (TIM 1) ร่วมกับวัสดุเติมช่องว่างซิลิโคน WE-TGF (TIM 2) ช่วยให้สามารถใช้ฮีทซิงค์ที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของส่วนประกอบที่ร้อนได้ ช่วยเพิ่มการระบายความร้อน (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
แนวทางการใช้งานโดยทั่วไป
ไม่ว่าจะใช้ TIM ร่วมกันหรือไม่ก็ตาม จะมีแนวทางการใช้งานทั่วไปบางประการที่นักออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
- พื้นผิวของส่วนประกอบและชุดทำความเย็นต้องสะอาดและแห้ง ควรใช้ก้านหรือผ้าเช็ดแบบไม่มีขุยและไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์เพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิว
- เมื่อใช้ TIM ที่ต้องมีการบีบอัด ควรบีบอัดวัสดุด้วยแรงกดที่สม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิว วัสดุอาจเสียหายได้หากแรงดันที่ใช้เกินค่าพิกัดที่กำหนด
- ต้องกำจัดฟองอากาศและ/หรือช่องว่างบนพื้นผิวทั้งหมดเพื่อให้เกิดการนำความร้อนที่ดีที่สุด
- อุณหภูมิในการทำงานของ TIM ต้องสามารถรองรับอุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของส่วนประกอบที่ถูกทำให้เย็นลงได้
บทสรุป
การจัดการความร้อนเป็นปัญหาในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ในวงกว้าง นักออกแบบสามารถใช้ TIM ได้หลากหลายที่ผลิตจากวัสดุที่หลากหลาย รวมถึงซิลิโคน วัสดุเปลี่ยนเฟส กราไฟท์ และแผ่นโฟมดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การใช้ TIM สามารถให้อิมพีแดนซ์ความร้อนต่ำอย่างสม่ำเสมอซึ่งจำเป็นสำหรับการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ขจัดข้อกังวลเรื่องการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้นเมื่อใช้วัสดุผสมนำความร้อน
แม้ว่าวัสดุผสมจะถ่ายเทความร้อนในแนวตั้งเท่านั้น นักออกแบบสามารถเลือกจาก TIM วัสดุเติมช่องว่างที่นำความร้อนในแนวตั้งหรือตัวแผ่กระจายความร้อนที่สามารถนำความร้อนด้านข้างได้ สุดท้าย TIM จำนวนมากมีจำหน่ายโดยไม่มีปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำหรือต้นทุนทางด้านเครื่องมือ ทำให้เป็นตัวเลือกที่ประหยัดสำหรับการออกแบบการจัดการระบายความร้อน
บทความที่แนะนำ

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.