Основы конструирования термоинтерфейсов

У тех кто пытается сам составить новый термоинтерфейс, понять работу того что есть в наличии часто возникает вопрос "почему термоинтерфейс из материала имеющего огромную теплопроводность имеет эффективность на уровне банальной КПТ-8?"
Попробуем разобраться.

 

Если мы посмотрим теплопроводность материалов то мы видим в ее первой строчке такой материал как "алмаз" имеющий теплопроводность 1000-2600 Вт/(м·K), что многократно превышает теплопроводность самых хорошо теплопроводящих металлов. Но термоинтерфейсы на основе кристаллов, нано и более крупных размеров, алмаза у производителей паст встречаются достаточно редко, да и большинство производителей скромно умалчивают о теплопроводности подобных термоинтерфейсов.

Противоречивые результаты тестирований дают:

то сравнимые с жидкими металлами результаты,

то мало отличающиеся от КПТ-8, да и других менее звучных марок.

 

Так стоят ли такие изыски этой возни?

И в чем причины несбывшихся ожиданий?

 

Попробуем разобраться

Теплопроводящие составы обычно состоят из нескольких компонентов, а минимально по крайней мере из двух.

Один из которых, теплопроводящий материал - наполнитель. Именно от него, в большей степени, зависят теплопроводящие свойства смеси.

А второй - связующее. Обычно это невысыхающая жидкость - синтетическое масло - например силиконовое. Применение невысыхающих жидкостей позволяет сохранить длительное время консистенцию (вязкость) пасты и ее физические свойства.

 

Но некоторые производители применяют в смеси (в качестве связующего) высыхающие синтетические жидкости. По их теории жидкость нужна только на время заполнения зазора между элементами тепловой цепи и в течении нескольких дней работы жидкость испаряется в результате чего частицы наполнителя уплотнятся и тепловое сопротивление принимает минимальное значение. В принципе это достаточно логичное решение, которое работает, но может применяться только в стационарных (или с жесткой фиксацией элементов тепловой цепи относительно друг друга) устройствах и с легкими кулерами. В противном случае при малейших вибрациях и упругих креплениях целостность термоинтерфейса может быть нарушена.

 

Практика показывает, что не всегда теплопроводность смеси определяется теплопроводностью наполнителя.

Так что еще влияет на теплопроводность?

 

Связующее

Конечно теплопроводность связующего должна быть максимально возможная, потому что она ограничивает теплопроводность пасты с одной стороны (худшая теплопроводность пасты определяется именно теплопроводностью связующего).

Так вот именно связующее и его вязкость определяет толщину зазора между частицами наполнителя, при больших зазорах теплопроводность смеси стремится к теплопроводности связующего. Поэтому смесь должна содержать минимально возможное количество связующего при условии получения необходимой вязкости пасты (смеси). Т.е. имеет место компромисс между нужной вязкостью (хорошей растекаемостью пасты в зазоре) и ее теплопроводностью.

 

Форма частиц

Другим важным фактором является форма частиц наполнителя - теплопроводящего материала.

Рассмотрим прохождение теплового потока в пасте содержащие частицы разной формы.

 

а

б

в

Рисунок 1

 

На рис.1 показаны случаи прохождения теплового потока для трех условных случаев с различных форм кристалла (частицы) теплопроводящего вещества. В данном случае механический контакт показан условно, в большинстве же случаев имеет место зазор заполненный связующим.

В случае сферических частиц теплопроводящего наполнителя (рис.1а) имеет место точечный контакт который может быть условно расширен до пятна на границе которого плотность проходящей тепловой энергии падает в e раз. Данный принцип может быть применен для всех типов контактов.

Думаю случай показанный на рис.1б не требует обсуждения.

А вот случай показанный на рис.1в показывает наиболее выгодный для хорошо теплопроводящих составов тип контакта плоской гранью 4х (и более) гранника. В данном случае тепловой поток имеет максимальную величину, а значит состав имеет минимальное тепловое сопротивление.

Из рассмотренных случаев видно, что форма частиц наполнителя может оказывать существенное влияние на теплопроводящие свойства разрабатываемых составов.

 

Размер частиц

Размер частиц теплопроводящего наполнителя тоже имеет существенное значение и существенно зависит от качества подготовки поверхности источника тепла и подошвы кулера. Так логичнее предположить, что частицы должны заполнять неровности поверхности, а значит их размер должен быть меньше размера шероховатостей на поверхности сопрягаемых деталей.

 

Многокомпонентные составы

Если посмотрим рис. 2а, то увидим что тепловой поток распространяется по линиям наименьшего теплового сопротивления - там где зазор между частицами теплопроводящего наполнителя минимален.

В результате тепловой поток проходит в объеме пасты по частицам наполнителя между которыми может существовать достаточно большое пространство заполненное связующим имеющее теплопроводность во много раз меньше наполнителя.

 

а

б

Рисунок 2

 

Данные рассуждения подтверждаются и результатами исследований описанными в статье "Испытания новых теплопроводящего составов на основе нано кристаллов синтетического алмаза".

Если Вы внимательно читали ее, то должны были обратить внимание на образцы под номерами 4 и 5. Данные образцы составлены лично мной из имеющегося в продаже алмазного шлиф порошка с размером зерна 25 мкм. Образцы приготовлены для сравнения с тестируемыми теплопроводящими составами и учитывая все выше сказанное.

Образец 4

Цвет светло-серый, жидкий капля толщиной приблизительно 0,3 диаметра капли.
Распределяется по поверхности кулера равномерное, слой минимальной толщины.

Состав: алмазный порошок 25 мкм, масло силиконовое. Аналог рис. 2а.

Образец 5

Цвет светло-серый, средней вязкости — сохраняет форму.
Распределяется по поверхности кулера равномерное, слой минимальной толщины.

Состав: алмазный порошок 25 мкм, масло силиконовое, оксиды металлов. Аналог рис. 2б.

 

Результаты испытаний показаны на рис.3

 

 

Результат после изменения рецептуры весьма существенен.

Температура процессора упала, по сравнению с исходным составом, более чем на 7°С и сравнялась с лучшим из исследуемых образцов "Обр 1"

 

Заключение

Я попытался показать в этой статье, что разработка новых теплопроводящих составов с хорошими характеристиками сложное дело, требующее учета множества факторов, исследований свойств множества получаемых составов и глубокого анализа и сравнения результатов.

Причем на теплопроводность состава существенное влияние оказывают как свойства связующего, свойства и форма частиц теплопродящего наполнителя и компонентный состав смеси.

А.Сорокин, 2013

Ссылки:

1. Испытания новых теплопроводящего составов на основе нано кристаллов синтетического алмаза