Älä unohda lämpörajapintamateriaaleja

Lämmönhallinnassa kiinnitetään paljon huomiota tuulettimiin, jäähdytyslevyihin ja Peltier-elementteihin, jolloin on helppo unohtaa, miten nämä komponentit kootaan. Lämpörajapintamateriaali (Thermal Interface Material, TIM) on äärimmäisen tärkeä näiden muiden lämmönhallintatekniikoiden optimaalisen suorituskyvyn kannalta. Lämpörajapintamateriaalien tarkoituksena on täyttää kahden epätasaisen pinnan välissä olevat mikroskooppisen pienet ilmavälit aineella, jonka lämmönjohtavuus on ilmaa parempi. Lämpörajapintamateriaalit voivat sisältää erilaisia materiaaleja, joita käytetään lämmönjohtavuuden parantamiseen ja joilla taataan tehokas lämmönsiirto lämpöä tuottavasta elementistä, kuten tehotransistorista, lämpöä luovuttavaan elementtiin, kuten jäähdytyslevyyn, termosähköiseen jäähdyttimeen tai molempiin. Tässä artikkelissa määritellään lämmönjohtavuus ja impedanssi yksityiskohtaisesti ja tarjotaan samalla korkean tason yhteenveto erityyppisistä lämpörajapintamateriaaleista, joita suunnitteluinsinööri voi käyttää.

Kuva 1: Perusesitys lämpörajapintamateriaalista, joka täyttää kahden epätasaisen pinnan väliset ilmavälit. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yleiskatsaus lämmönjohtavuuteen

Lämmönjohtavuuden selkeä ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta voidaan täysin käsittää, miten mikroskooppisten ilmavälien täyttäminen voi parantaa lämmönsiirtoa. Lämmönjohtavuus mittaa materiaalin kykyä siirtää lämpöä, eikä se ole riippuvainen tarkasteltavan komponentin koosta. Tämä parametri ilmaistaan yleensä tehoyksikköinä jaettuna pinta-alalla kertaa lämpötila, kuten W/m°C tai W/m*K. On huomattava, että koska yksi yksikkö Kelvin-asteikolla vastaa yhtä celsiusastetta, laskelmia tehtäessä merkitystä on vain lämpötilan suhteellisella muutoksella, mutta ei absoluuttisella arvolla.

Lämmön luovutuksessa korkeampi lämmönjohtavuus on aina haluttavampaa. Alhaisen lämmönjohtavuuden materiaaleilla lämmönsiirtonopeus on alhainen, kun taas korkean lämmönjohtavuuden materiaaleilla lämmönsiirto on nopeampaa. Vertailun vuoksi esimerkiksi ilman lämmönjohtavuus on vain 0,0263 W/m*K, mikä on noin kaksi kertaluokkaa lämpörajapintamateriaalien lämmönjohtavuutta pienempi. Komponentin ja jäähdytyslevyn välillä olevat ilmavälit haittaavat lämmön luovutusta. Kun nämä ilmavälit täytetään lämpörajapintamateriaalilla, jonka lämmönjohtavuus on huomattavasti ilmaa parempi, saavutetaan tehokkaampi lämmönsiirto.

Yleiskatsaus lämpöresistanssiin

Lämpöimpedanssi tai -resistanssi puolestaan riippuu suuresti tietyn komponentin muodosta, ja se ilmaistaan lämpötilayksikköinä jaettuna teholla eli Celsius-asteina wattia kohti. Lämpöresistanssia käsitellään yksityiskohtaisesti Same Sky -yrityksen blogeissa Overview of Thermal Management (Yleiskatsaus lämmönhallinnasta) ja How to Select a Heatsink (Jäähdytyslevyn valinta), mutta tässä on lyhyt yhteenveto. Lämpöresistanssi (joka ilmaistaan yksiköissä C/W) määrittää, kuinka monta celsiusastetta lämpimämmäksi liitos muuttuu luovutettua tehoa (watteina) kohti. Jos esimerkiksi liitoksen, joka luovuttaa tehoa 4 wattia, resistanssi on 10 C/W, sen lämpötila nousee 40 celsiusastetta ympäristön lämpötilaan verrattuna. Lämpöresistanssin arvo ilmaistaan usein tiettyä ainetta ja pinta-alaa kohti, kuten TO-220-kotelon lämmönsiirto ilmaan ilman jäähdytyslevyä.

Kun useita laitteita integroidaan yhteen, niille määritellään uusi lämpöresistanssiarvo. Tämä lämpöresistanssiarvo edellyttää kuitenkin, että kahden pinnan välillä on täydellinen yhteys, mikä ei aina pidä paikkaansa. Tällaisissa tilanteissa käytetään lämpörajapintamateriaalia, jotta luotaisiin mahdollisimman ihanteelliset olosuhteet. Vaikka tämä parantaa lämmönsiirtoa, se lisää myös kompleksisuutta, koska lämpörajapintamateriaalin lämpöresistanssi on otettava laskelmissa huomioon. Saattaa tuntua ironiselta, että vaikka lämpörajapintamateriaali vähentää kahden kohteen välistä lämpöresistanssia, myös sillä on oma lämpöresistanssinsa. Tämä arvo ei ole mitätön, mutta se vähentää kuitenkin kahden objektin välistä lämpöresistanssia huomattavasti enemmän kuin se lisää sitä. Riippuen käytettävän lämpörajapintamateriaalin tyypistä, tämä lämpöresistanssi voi olla tunnettu tai se voidaan joutua laskemaan lämpörajapintamateriaalin paksuuden ja sen pinta-alan perusteella, jolle se levitetään.

Kuva 2: Esimerkki lämpöimpedanssin tyypillisistä reiteistä, jotka voidaan ottaa huomioon sovelluksessa. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yleiset lämpörajapintamateriaalin tyypit

Lämpörajapintamateriaalit, jotka voivat olla geelejä, rasvoja, tahnoja ja teippejä, tarjoavat erilaisia ratkaisuja lämmönhallinnan haasteisiin. Niistä lämpörajapintatahnat, mukaan lukien geelit ja rasvat, ovat tunnettuja korkeasta lämmönjohtavuudesta, joustavuudesta ja kyvystä täyttää suuremmatkin ilmavälit. Tahnan lisääminen voi kuitenkin olla hankalaa erityisesti epätasaisille pinnoille, eikä tulokset ole aina tasalaatuisia. Liika määrä voi johtaa yleisen tehokkuuden heikkenemiseen, kun taas riittämätön määrä voi heikentää lämpörajapinnan suorituskykyä. Erinomaisen lämmönjohtavuuden tarjoavat metallipohjaiset tahnat voivat lisäksi aiheuttaa sähköisiä vaaroja, jos niitä valuu piirilevylle. Keraamiset tai hiilipohjaiset tahnat voivat olla turvallisempi valinta, mutta niiden terminen tehokkuus ei välttämättä vedä vertoja metallipohjaisille vaihtoehdoille.

Lämpöteipit ovat puolestaan kiinteitä lämpörajapintamateriaaleja, jotka on valmistettu silikonista tai muista (ei silikonia sisältävistä) elastomeereistä. Niitä saatavilla on myös monista muista materiaaleista valmistettuina. Esimerkiksi Same Sky -yrityksen lämpöteipit ovat luonnostaan tahmeita ja sähköisesti eristettyjä. Niiden lämmönjohtavuudet vaihtelevat välillä 1,0–6,0 W/m*K. Helppokäyttöisyys on yksi lämpörajapintateippien tärkeimmistä eduista tahnoihin verrattuna. Same Sky -yrityksen lämpöteipit on leikattu valmiiksi yrityksen Peltier-elementtien, profiilikoon mukaan. Tämä säästää aikaa ja helpottaa asennusta, koska suuria teippimateriaaliarkkeja ei tarvitse ostaa ja leikata oikeaan kokoon. Lämpöteipit ovat myös tasalaatuisempia, sotkevat vähemmän, ja niiden uudelleenkäytettävyystaso on parempi kuin lämpötahnoilla.

Kun käyttäjä joutuu ratkaisemaan kerralla eri laitteiden ja kokojen lämmönhallinnan, lämpötahna on kuitenkin edelleen suositeltavin vaihtoehto sen monipuolisuuden vuoksi. Lämpötahnat ovat suosittuja myös harrastajien keskuudessa, sillä ne ovat edullisia ja niitä on helposti saatavilla pienissä putkiloissa, jolloin tarkkoja mittauksia ja mittoja ei tarvita. Lämpötahna on näin kätevä vaihtoehto pieniin projekteihin ja kertaluonteisiin sovelluksiin. Tässä on lyhyt yhteenveto erilaisista lämpörajapintamateriaaleista:

Taulukko 1: Yhteenveto vaihtoehtoisista lämpörajapintamateriaaleista. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yhteenveto

Tehokas lämmönhallinta on kompleksinen ongelma, joka edellyttää erilaisia strategioita ja ratkaisuja. Lämpörajapintamateriaalien merkitystä kokonaisjärjestelmän avainkomponenttina ei saa ohittaa. Oli kyseessä sitten prototyyppivaihe, tuotantovaiheeseen siirtyminen tai vain lämpörajapintamateriaalien käyttö DIY-projekteissa, on tärkeää ymmärtää, miksi nämä materiaalit ovat välttämättömiä ja miten niiden taustalla olevat mekanismit toimivat. Näin voidaan vaikuttaa merkittävästi ratkaisun termiseen suorituskykyyn.