วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการระบายความร้อนด้วยตัวกระจายความร้อนและวัสดุเติมช่องว่าง

By Jeff Shepard

Contributed By DigiKey's North American Editors

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"

แผนภาพของ TIM (สีน้ำเงิน) ที่ใช้เติมความผิดปกติระดับจุลภาครูปที่ 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)

รูปภาพของวัสดุเติมช่องว่างนำความร้อนจาก Würthรูปที่ 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)

แผนผังของ Würth Elektronik แผ่นวัสดุเติมช่องว่างซิลิโคนอีลาสโตเมอร์รูปที่ 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

รูปภาพของตัวกระจายความร้อนกราไฟท์ของ Würth Elektronikรูปที่ 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

รูปภาพของ TIM บนส่วนประกอบที่ร้อนรูปที่ 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)

ภาพของปะเก็นแกรไฟต์โฟม (ตรงกลาง) สามารถประดิษฐ์ด้วยรูปทรงต่าง ๆ ได้รูปที่ 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)

แผนผังของ Würth Elektronik WE-TGS ตัวกระจายความร้อนด้วยกราไฟท์ (TIM 1) ที่มีวัสดุเติมช่องว่างซิลิโคน WE-TGF (TIM 2)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

  1. ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการจัดการความร้อน
  2. ทำอย่างไรให้เย็นอยู่เสมอ: พื้นฐานการเลือกและการใช้งานชุดระบายความร้อน
DigiKey logo

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.

About this author

Image of Jeff Shepard

Jeff Shepard

Jeff เขียนเกี่ยวกับเรื่องอิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และหัวข้อทางด้านเทคโนโลยีอื่น ๆ มามากกว่า 30 ปีแล้ว เขาเริ่มเขียนเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์กำลังในตำแหน่งบรรณาธิการอาวุโสที่ EETimes ต่อมาเขาได้ก่อตั้ง Powertechniques ซึ่งเป็นนิตยสารเกี่ยวกับการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังและก่อตั้ง Darnell Group ซึ่งเป็นบริษัทวิจัยและเผยแพร่ด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังระดับโลกในเวลาต่อมา ในบรรดากิจกรรมต่างๆ Darnell Group ได้เผยแพร่ PowerPulse.net ซึ่งให้ข่าวประจำวันสำหรับชุมชนวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังทั่วโลก เขาเป็นผู้เขียนหนังสือข้อความแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดชื่อ "Power Supplies" ซึ่งจัดพิมพ์โดยแผนก Reston ของ Prentice Hall

นอกจากนี้ Jeff ยังร่วมก่อตั้ง Jeta Power Systems ซึ่งเป็นผู้ผลิตอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งกำลังวัตต์สูงซึ่งได้มาจากผลิตภัณฑ์คอมพิวเตอร์ Jeff ยังเป็นนักประดิษฐ์โดยมีชื่อของเขาอยู่ในสิทธิบัตร 17 ฉบับของสหรัฐอเมริกาในด้านการเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนและวัสดุที่ใช้ในเชิงแสงและเป็นแหล่งอุตสาหกรรม และบ่อยครั้งเขายังเป็นนักพูดเกี่ยวกับแนวโน้มระดับโลกในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทด้านวิธีการเชิงปริมาณและคณิตศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

About this publisher

DigiKey's North American Editors