Теплопроводные смеси: виды, составы, использование

Теплопроводные смеси состоят из теплопроводящих многокомпонентных материалов. Наносят их слоем между прибором, отводящим тепловую энергию и охлажденной поверхностью. Самыми распространенными видами теплопроводных смесей (или как их еще называют термоинтерфейсов) являются теплопроводящие пасты и теплопроводящие компаунды.

В быту теплопроводные смеси чаще всего используются для компонентов выделяющих тепло. Например, в персональных компьютерах для процессоров, видеокарт и т.д. В электронике термоинтерфейсы необходимы для отвода температуры от элементов силовых цепей и снижения температурного градиента внутри блоков.

В промышленном нагреве в качестве теплопроводной смеси используют высокотемпературную монтажную пасту. Она не только выполняет функцию теплопроводного элемента, но и обеспечивает плотное прилегание контактного электронагревателя с объектом обогрева.

Виды теплопроводных смесей

Термоинтерфейсы незаменимы в изготовлении электронных компонентов, теплоприборах и измерительных устройствах, их обязательно применяют в радиоэлектронных устройствах выделяющих высокие температуры. Теплопроводные смеси зависимо от сферы применения используются в следующих формах:

• Пастообразный состав, проводящий тепло;
• Полимеризующийся состав;
• Состав с элементами серебра;
• Клеящийся состав;
• Тепловые проводники в виде прокладок;
• Припои и жидкие металлы.

Теплопроводная паста

Данный проводник тепловой энергии состоит из многих компонентов и имеет пластичную консистенцию. Теплопроводные пасты уменьшают тепловое сопротивление между соприкасающимися друг с другом поверхностями. Ими заполняют воздушные подушки, которые образуются между поверхностями охлаждённого объекта и нагревательного элемента. Ведь воздушная среда хоть и является проводником тепла, но зачастую ее теплопроводящих характеристик недостаточно для качественного температурного воздействия. В свою очередь пасты отлично справляются с данной задачей. В промышленном нагреве для работы кольцевых, плоских, патронных и других нагревателей контактного типа используют высокотемпературные монтажные пасты. Их наносят на поверхность нагревателя и объекта монтажа, после чего осуществляют установку первого на необходимый узел оборудования.

Требования к теплопроводной пасте

К основным требованиям, которыми должна обладать теплопроводная паста, относятся следующие характеристики:

• Заниженные показатели теплового сопротивления;
• Стабильные характеристики на протяжении всего периода эксплуатации;
• Свойства пасты не должны изменяться в зависимости от длительности хранения;
• Стабильная теплопроводность в рабочих диапазонах температур;
• Удобства в нанесении и смывании с поверхности;
• В случае участия в высокотемпературном нагреве монтажная паста должна обладать высокими электроизоляционными свойствами.

Составы

В производстве термопасты используют наполнители с высокими показателями тепловой проводимости. Компоненты применены в виде микроскопических дисперсных порошков и их смесей. Материалы для создания термопасты:

• Металлы (вольфрам, медь, серебро);
• Микрокристаллы (алмазы);
• Окиси металлов (цинк, алюминий и т. д);
• Нитриды (бор, алюминий…);
• Графит.

Связующими веществами выступают масла минерального и синтетического происхождения, жидкие материалы и их смеси с малым процентом испаряемости. Выпускаются также пасты, у которых при контакте с воздухом некоторые составляющие полимеризуются. Для увеличения плотности в состав таких паст могут добавляться компоненты, поддающиеся быстрому испарению. Это позволяет создать достаточно жидкую смесь при нанесении ее на объект, которая в дальнейшем уплотнится, и будет обладать высокой проводимостью тепла. Теплопроводной состав такого типа приобретает максимально высокие характеристики в течение 5 — 100 часов в штатном режиме работы. Более конкретные данные к каждой пасте указываются в прилагаемой к ней инструкции.

Самыми дорогими пастами являются теплопроводные смеси на основе серебра. Оптимальными по характеристикам и цене считаются термопасты на основе алюминиевой окиси. И серебряные или алюминиевые проводники обладают наименьшими показателями теплового сопротивления. К самым недорогим термопроводникам относятся пасты на керамической основе, но и их эффективность не высока.

Самые простые термопасты изготавливают из порошкового графита, который натирают наждачной бумагой и добавляют к нему несколько капелек обычного минерального смазочного масла.

В состав высокотемпературной монтажной пасты входит смесь мелких порошковых фракций меди и алюминия, которые связываются между собой специальным минеральным составом. Такая смесь при высокотемпературном нагреве является самой эффективной.

Использование

Термопасту используют в электронных приборах в качестве теплового проводника между поверхностью вырабатывающей тепло и приборами, отводящими тепловую энергию. Основным требованием при использовании пасты является нанесение соя небольшой толщины. Чтобы максимально правильно определить необходимую толщину слоя стоит ознакомиться с рекомендациями от производителя.

Паста, нанесенная на зону теплового контакта, раздавливается во время прижима взаимодействующих поверхностей. Помимо теплового проводника паста выполняет функцию сглаживания поверхностей и заполнения воздушных зазоров.

Другие случаи применения.

Термопасту также часто применяют для охлаждения элементов электроники, которые выделяют намного больше тепловой энергии, чем требуется для имеющегося корпуса.

Теплопроводные заливочные компаунды

Компаунды из полимерного состава применяются в случаях, когда необходимо улучшить герметичность, механические и электрические свойства модуля. В случаях рассеивания тепловой энергии заливочный компаунд должен обеспечивать стойкость к высокой температуре и термоциклированию. Также благодаря компаундам облегчается тепловой отвод от элементов к корпусной оболочке модуля.

Помимо теплопроводных паст и компаундов существуют, и другие приспособления способные выполнять отвод температуры и предотвращать перегрев поверхностей. К таковым относится пайка, теплопроводные клеи и изолирующие термоинтерфейсы.

Подбор теплопроводного материала должен основываться на сфере использования прибора требующего теплового отвода.

Компаунды улучшают герметичность, механические и электрические свойства модулей и других объектов которыми их заливают. Полимерный компаунд предотвращает рассеивание тепла, обеспечивает стойкость к нагреванию и термическим перепадам, облегчает теплоотвод от элемента выделяющего тепло к охлажденному объекту.

Теплопроводные клеи

Используются лишь, когда невозможно применить термопасту. При нарушении технологии склейки может увеличиться толщина клеевого слоя и теплопроводность ухудшится.

Пайка

Характеризуется как отличный термоинтерфейс, но обладает рядом ограничений. В домашних условиях провести качественную пайку сложно, для этого необходимо иметь специальное оборудование. И не для всех материалов пайка как термоинтерфейс подходит. Например, для алюминиевых, керамических и полимерных поверхностей применять ее абсолютно нецелесообразно.

Изолирующие термоинтерфейсы

Изолирующие теплопроводные материалы представлены в виде изолирующих прокладок керамического, слюдяного, силиконового или пластикового состава. Наносить и снимать их стоит лишь по строгому соблюдению инструкции.

На сегодняшний день самыми распространенными и востребованными термоинтерфейсами являются термопасты и компаунды. Их используют не только для бытовой электроники, но и в особом составе при промышленном нагреве.

Компоненты компаундов

Компаунды
Базовое масло силиконовое высоковязкое (кинематическая вязкость неск. тыс. сСт) Присадки	Наполнитель (загуститель) кремнезем SiO2 оксид цинка ZnO политетрафторэтилен (C2F4)

При производстве компаундов используется силиконовое масло – бесцветная кремнийорганическая жидкость (олигоорганосилоксан). Она химически инертна, растворима в спиртах и ароматических углеводородах, но не растворима в воде.

Силиконовые жидкости получили широкое применение благодаря следующим свойствам:

• Широкий диапазон рабочих температур: низкая температура застывания (-60 °C и ниже), стойкость к термоокислению (до +250 °C при длительном воздействии и до +300 °C – кратковременно)
• Химическая стабильность
• Способность не смачиваться водой (гидрофобность)
• Плохая воспламеняемость
• Низкое поверхностное натяжение, определяющее высокую смачивающую способность
• Низкое давление насыщенных паров
• Низкая токсичность
• Высокие диэлектрические свойства, слабо зависящие от температуры и параметров электрического тока
• Пологая вязкостно-температурная характеристика

В качестве загустителей (наполнителей) при производстве силиконовых компаундов наиболее часто выступают различные неорганические соединения (кремнезем SiO₂, оксиды цинка ZnO и других металлов). Однако в последнее время все большее значение приобретают полимерные органические загустители, например, политетрафторэтилен (C₂F₄)n. Наполнители при производстве компаундов должны быть тщательно размельчены, иметь большую удельную поверхность и обладать гидрофобными свойствами. Например, кремнезем SiO₂ используется в виде кремнеземного желе с измельчением 5…50 мкм и удельной поверхностью 150…1000 м²/г. Высокая степень измельчения кремнезема достигается в химических процессах.

Получаемые разными методами дисперсные кремнеземы состоят из частиц шарообразной формы, которые при контакте с поверхностью сопрягаемых деталей перекатываются по ней без резания и царапания. Кроме того, под воздействием мелкодисперсных частиц SiO₂ происходит изменение свойств окисного слоя металлических поверхностей – частицы кремнезема заполняют имеющиеся впадины неровностей и сцепляются с поверхностным слоем деталей.

Таким образом, при многократном воздействии частиц мелкодисперсного кремнезема происходит плотная «упаковка» неровностей поверхностного слоя частицами SiO₂, что существенно повышает качество сопрягаемых поверхностей и снижает коэффициент трения. Кремнезем при нагревании не подвергается фазовым превращениям и не плавится, благодаря чему структурная вязкость получаемых на его основе компаундов мало зависит от температуры и определяется вязкостно-температурными характеристиками входящего в их состав силиконового масла.

Силиконовые компаунды (силикагелевые смазки), состоящие из смеси силиконовых масел и гидрофобизированного кремнеземного желе, хорошо работают при высоких (до +200…+230 °C), и низких (-40 °C и ниже) температурах, отличаются хорошей адгезией и низкой летучестью, химической стойкостью и водостойкостью, обладают хорошими противозадирными, противоизносными и диэлектрическими свойствами.

Качества электропроводящей пасты

Итак, как определить, какой клей подходит для работы? Хороший токопроводящий клей отличают следующие качества:

1. Большая скорость высыхания, чтобы в работе не возникало пауз.
2. Высокая вязкость для удобства применения и защиты частей электросхемы, на которую клей попадать не должен.
3. Большие значения сцепляемости.
4. Термостойкость (при пайке).
5. Безопасность как для рабочего, так и для окружающей среды.
6. Низкая электрическая сопротивляемость, иначе этот клей будет крайне плохо проводить ток.
7. Содержание полимеров в составе.
8. Клей должен быть не на водной основе. В противном случае элементы микросхемы могут быть залиты этим клеем и повредиться, а сам клей высыхать слишком долго, что замедлит работу мастера.

Клей продается в строительных или радиотехнических магазинах, по сравнительно небольшой цене — всего ±100 рублей за каких-то 25 грамм. Учитывая, что на те же ПВХ-покрытия требуется не меньше 250 грамм клея на квадратный метр, а для текстиля или металла и вовсе 400, цена на клей оказывается довольно высокой.

Безусловно, изготовленная в домашних условиях токопроводящая паста бывает выгоднее, чем её покупные аналоги, но у неё сильно ограничен запас прочности. Кроме того, никто из нас не застрахован от ошибок; не исключен шанс того, что при производстве клея была совершена ошибка, которая может повредить дорогостоящее оборудование. Если вы не до конца уверены в своих силах, то магазинный клей тоже может быть замечательным вариантом. К примеру, «Контактол».

Композиция этого клея маловязкая и напоминает пасту и изготовлена на основе эпоксидных, полиэфирных и др. синтетических смол, а непосредственно электропроводимым его делают порошки серебра, золота или палладия. Стоит он не так уж дорого: 190 рублей. Однако, при его покупке следует быть осторожным: в последнее время случаи продажи подделок участились, поэтому лучше обращаться к продавцу с гарантиями.