Een thermische pad verbetert de prestaties van een printplaat door de isolerende luchtlaag tussen een heet component en de koelplaat te vervangen door een flexibel, solide pad dat warmte geleidt. Bij Trumonytechs bouwen we thermische pads. thermische pads en platen voor vloeistofkoeling als onderdeel van een breder thermische interfacematerialen stapel voor batterijpakketten en vermogenselektronica-assemblages. Voor een thermisch ingenieur is de vraag dus zelden of warmtebeheersing nodig is. Het gaat erom welk interface-materiaal het beste past bij de opening, de klemspanning en de isolatie die de printplaat daadwerkelijk nodig heeft.
De onderstaande paragrafen leggen uit hoe thermische pads op een printplaat werken, hoe je er een kiest op basis van thermische geleidbaarheid, dikte en elektrische isolatie, wanneer een pad beter is dan thermische pasta en hoe je deze installeert zonder prestatieverlies. Ze behandelen niet het ontwerp van de koelplaatkanalen, de lay-out van het koper op de printplaat en de thermische via's, de afwegingen tussen celformaat en drukval, of de datasheetwaarden van een specifiek Trumonytechs-model. Deze zijn afhankelijk van de printplaat en het pakket waarin deze zich bevindt, en worden per geval bepaald.
Inleiding tot thermische interfacematerialen
Een thermisch geleidend materiaal transporteert warmte over een verbinding waar anders lucht zou worden ingesloten. Een thermische pad is het massieve, voorgevormde voorbeeld hiervan. Twee ogenschijnlijk vlakke contactoppervlakken raken elkaar slechts op enkele hoge punten, waardoor de rest van de verbinding zich met lucht vult. Lucht geleidt slecht, ongeveer 0,026 W/m·K, terwijl de metalen die erdoor worden gescheiden honderden keren beter geleiden. Deze dunne, ingesloten laag bepaalt uiteindelijk de thermische weerstand van de hele stapel.
Of een pad de twee zijden ook elektrisch isoleert, hangt af van het product, niet van de categorie. Veel pads gebruiken een siliconen of niet-siliconen bindmiddel met vulstoffen zoals keramiek of metaaloxide om de warmteoverdracht te verbeteren en tegelijkertijd diëlektrisch te blijven. Andere pads gebruiken geleidende vulstoffen zoals grafiet en zijn geen isolatoren. Lees de term 'isolatie' niet af uit de woorden 'thermische pad' of uit de naam van de vulstof. Controleer of een pad, waar deze in contact kan komen met blootliggende pinnen of printsporen, isoleert. elektrisch geleidend en controleer de nominale diëlektrische sterkte.
Waarom thermisch beheer van printplaten de betrouwbaarheid beïnvloedt
Onbeheersde warmte kan ervoor zorgen dat componenten hun nominale temperatuur overschrijden en dat er een verschil ontstaat in uitzetting tussen de materialen op de printplaat. Halfgeleiders, condensatoren en geïntegreerde schakelingen hebben elk een specifiek temperatuurbereik. Gebruik boven dit bereik kan hun elektrische gedrag veranderen voordat er sprake is van een volledige uitval. Een component dat slechts licht buiten de specificaties valt, kan dus al problemen veroorzaken met de timing of het geheugen.
Thermische cycli voegen een langzamer proces toe. Wanneer koper, laminaat, soldeer en componentbehuizingen met verschillende snelheden opwarmen en afkoelen, manifesteert de mismatch zich als mechanische spanning in de verbindingen. Na voldoende cycli kan die spanning leiden tot scheuren in het soldeer of loslating van de pads. Hoeveel cycli de assemblage doorstaat, hangt af van de specificaties van het apparaat, het temperatuurgradiënt en het aantal cycli, wat de kernreden is. Thermisch beheer is belangrijk. op een compacte printplaat.
Plaatsing van thermische pads in het warmtepad van de printplaat
Een thermische pad hoort op één specifieke plek thuis: het contactvlak tussen een warmtegenererend component en de bijbehorende koelplaat. De taak van de pad is om de microscopische openingen op te vullen die ontstaan door oneffenheden in het oppervlak en toleranties in de vlakheid. In een echte assemblage zijn de twee vlakken nooit perfect vlak, dus moet de pad zich aanpassen aan de klemdruk en over het gehele contactoppervlak contact houden. De pad is onmisbaar overal waar een meetbare, herhaalbare opening bestaat die een stijve koelplaat niet vanzelf kan dichten.
Bij hogere warmtebelastingen vormt de pad één schakel in een langer traject. In een elektrische auto of een accupakket voor energieopslag beweegt de warmte vaak van een component op de printplaat of een voedingsmodule via de pad naar een koelblok of een structureel onderdeel, en vervolgens naar een vloeistofcircuit. Trumonytechs levert platen voor vloeistofkoeling Voor die volgende fase: dimensioneer de koelplaat of koelpad achter de pad zodanig dat deze de warmte kan dragen, en beschouw de pad als het grensvlak dat de warmte consistent van het component afvoert.
Een thermische pad kiezen: geleidbaarheid, dikte en isolatie
Begin bij het selecteren van een pad vanuit de verbinding, niet vanuit het datasheet: bepaal eerst de opening en de benodigde isolatie, en kies vervolgens de geleidbaarheid en dikte die daarbij passen. Deze drie variabelen beïnvloeden elkaar, en het aflezen van slechts één getal uit een datasheet is de meest voorkomende manier om een ontwerp tekort te doen. De onderstaande subsecties behandelen ze in de volgorde die er doorgaans toe doet.
Thermische geleidbaarheid
Een hogere bulkgeleidbaarheid verlaagt het aandeel van de thermische weerstand van de pad, maar een waarde in een datasheet is een testmethode-waarde, geen eigenschap in vrije ruimte. Commerciële pads hebben doorgaans een thermische geleidbaarheid van ongeveer 1,5 tot 15 W/m·K, afhankelijk van het vulmiddelsysteem, waarbij de hogere waarden afkomstig zijn van composieten met een hogere vulstofconcentratie. Deze waarden worden meestal gemeten volgens een stationaire standaard zoals ASTM D5470, de testmethode van ASTM International voor de thermische transmissie-eigenschappen van thermisch geleidende elektrische isolatiematerialen. Twee pads zijn alleen vergelijkbaar als ze op dezelfde manier zijn gekarakteriseerd. Beschouw de opgegeven W/m·K als een referentiepunt en controleer vervolgens de werkelijke thermische weerstand bij uw eigen druk en lijmgrens.
Dikte en compressie
Stem de dikte van de pad af op de opening en zorg ervoor dat deze wordt samengedrukt. Pads zijn verkrijgbaar in verschillende diktes, meestal van ongeveer 0,5 mm tot enkele millimeters. Een pad wordt doorgaans iets dikker gekozen dan de nominale opening, zodat deze door het klemmen wordt samengedrukt, vaak met 20 tot 50 procent volgens de specificaties van de fabrikant. Door deze compressie wordt de lucht eruit geperst en sluit de pad stevig aan op beide zijden. Het overschrijden van de nominale compressiegrens om een dunnere verbinding te creëren, kent beperkingen: de warmteontwikkeling houdt mogelijk niet aan en de extra belasting wordt overgedragen op het component en de soldeerverbindingen eronder.
Elektrische isolatie en compatibiliteit
Beschouw isolatie als een poort wanneer de pad tegen blootliggende geleiders aanligt. Waar een pad pinnen of printsporen kan raken, moet deze de werkspanning kunnen weerstaan zonder door te branden. Kies in dat geval een isolerend product met een opgegeven diëlektrische sterkte of volumeweerstand en de bijbehorende testomstandigheden. Ga niet uit van isolatie op basis van de productcategorie of de productnaam. Siliconen pads Ze worden vaak gebruikt omdat ze een combinatie bieden van conformiteit en goede diëlektrische eigenschappen, maar controleer de compatibiliteit met betrekking tot temperatuur, ontgassing of olielekkage, de materialen waarmee de pads in contact komen en de ontwerplevensduur; ga er niet van uit dat dit gedurende de volledige levensduur het geval zal zijn.
Thermische pad versus thermische pasta
Als de opening reëel en herhaalbaar is, gebruik dan een thermische pad; als het contactvlak bijna vlak is en je een zo dun mogelijke verbinding nodig hebt, kan thermische pasta een betere oplossing zijn. Beide zijn thermische interface-opties, De keuze hangt meer af van de geometrie van de verbinding en het productieproces dan van een enkel geleidbaarheidscijfer.
| Factor | Thermische pad | Thermische pasta |
|---|---|---|
| Gap, het past. | Meetbare, ongelijkmatige of tolerantie-afhankelijke hiaten | Kleine, vlakke, goed gecontroleerde openingen |
| Bondlijn | Dikker; bepaald door de dikte en compressie van het kussen. | Dunner; kan een lagere weerstand bereiken. |
| Montage en afhandeling | Op maat snijden, plaatsen, vastklemmen; schone, voorgevormde plaatsing | Toedienen en verspreiden; vereist druk en zorg. |
| Hergebruik bij herwerking | Afhankelijk van de staat; een remblok met compressievervorming of beschadiging wordt normaal gesproken vervangen volgens de instructies van de leverancier. | Doorgaans opnieuw aangebracht |
| Risico op thermische schommelingen | Kan compressievervorming of kruip vertonen; controleer dit aan de hand van de samenstelling en de omstandigheden. | Kan in meerdere cycli worden afgepompt; controleer dit aan de hand van de samenstelling en de omstandigheden. |
Bij een ongelijkmatige of tolerantiegedreven spleet is een pad meestal de meest reproduceerbare productiekeuze, omdat deze de spleet consistent vult. Waar het grensvlak vlak is en de laagste weerstand prioriteit heeft, kan pasta de voorkeur krijgen, mits de procesdruk wordt gecontroleerd en het ontwerp rekening houdt met het wegpompen tijdens thermische cycli. Controleer het hergebruik- en cyclusgedrag voor het specifieke materiaal en de bedrijfsomstandigheden; geen van beide is per categorie gegarandeerd.
Installatiestappen en veelvoorkomende fouten
De juiste installatie bepaalt of een goed gekozen pad presteert, en dat begint met schone, vlakke contactvlakken. De meeste warmteverliezen zijn terug te voeren op een paar vermijdbare fouten, dus de onderstaande stappen zorgen ervoor dat het thermische pad van component naar koelblok intact blijft.
- Reinig beide zijden zodat er geen stof, olie of resten tussen het schuurkussen en het metaal achterblijven, aangezien vervuiling de verwijdering juist bemoeilijkt.
- Meet het contactoppervlak op en snijd de pad op maat zodat deze het volledige oppervlak bedekt zonder het uit te rekken. Uitrekken maakt het materiaal namelijk dunner en verandert de eigenschappen ervan.
- Verwijder eventuele beschermfolie en leg de pad plat over het onderdeel, zonder vouwen of overlappingen. Dit zou lucht kunnen opsluiten en hotspots kunnen veroorzaken.
- Oefen gelijkmatige druk uit om het remblok goed aan te drukken en ingesloten lucht te verwijderen, waarbij de compressie binnen het nominale bereik van het remblok blijft.
- Plaats de koelplaat of koelmodule recht en bevestig deze met de daarvoor bestemde klemmen of schroeven, zodat de contactdruk constant blijft.
- Controleer op openingen of verkeerde uitlijning en, waar nodig, meet de temperatuur onder belasting om te bevestigen dat de interface goed functioneert.
De meest voorkomende fouten zijn het uitrekken van het koelblok, het laten van lucht eronder en het te strak aandraaien. Uitrekken en luchtruimte verhogen de weerstand direct, en te strak aandraaien ruilt een kleine thermische winst in voor een mechanische belasting van het onderdeel. Als een koelblok verwijderd moet worden, controleer dan de staat ervan: een koelblok dat vervormd is door compressie of beschadigd is, wordt normaal gesproken vervangen en niet hergebruikt, volgens de instructies van de leverancier.
Conclusie
Een thermische pad verbetert de prestaties van een printplaat alleen als deze is afgestemd op de soldeerverbinding. Bepaal eerst de opening en de vereiste diëlektrische sterkte, kies een dikte die binnen het nominale bereik in die opening past en beschouw een opgegeven W/m·K als een vergelijkingswaarde die is gekoppeld aan een testmethode zoals ASTM D5470. Dat laatste punt is het gemakkelijkst verkeerd te interpreteren: een hogere waarde in het datasheet garandeert geen lagere weerstand in uw assemblage, dus controleer de thermische weerstand bij uw werkelijke druk en soldeerlijn.
Als u pads, vulstukken of koelplaten afstemt op een specifiek moederbord of accupakket, contact opnemen met Trumonytechs om de beperkingen van de opening, druk en isolatie te overwinnen ten opzichte van de interface-materialen die erop aansluiten.
FAQ
Is een thermische pad of thermische pasta beter voor een voedingsmodule in een krappe behuizing?
Kies de juiste variant op basis van de opening. Een pad is geschikt voor een meetbare of ongelijkmatige opening en zorgt voor een goede hechting tijdens thermische cycli, terwijl pasta geschikt is voor een vrijwel vlak oppervlak waar de dunste verbindingslijn van belang is. In een krappe behuizing met een daadwerkelijke opening en klemtolerantie is een pad doorgaans de meest reproduceerbare optie voor een consistente productie.
Hoe dik moet een thermische pad zijn?
Kies een kussen dat iets dikker is dan de opening, zodat het bij het klemmen tegen het oppervlak wordt gedrukt. De dikte moet vaak tussen de 20 en 50 procent liggen, zoals in het specificatieblad staat aangegeven. Een te dun kussen laat lucht door, terwijl een te dik kussen bij compressie extra mechanische belasting veroorzaakt.
Kan ik de W/m·K-waarde op het specificatieblad van een thermische pad vertrouwen?
Beschouw dit als een referentiewaarde gemeten volgens een testmethode zoals ASTM D5470, en niet als een gegarandeerde waarde voor de toepassing. Twee pads zijn alleen vergelijkbaar als ze op dezelfde manier gekarakteriseerd zijn, dus controleer de werkelijke thermische weerstand bij uw werkdruk en verbindingslijn.
Betekent een hogere thermische geleidbaarheid altijd een betere koeling?
Nee. De werkelijke thermische weerstand hangt ook af van de dikte van de verbindingslaag, de contactdruk en hoe goed de pad de opening vult. Een pad met een hogere geleidbaarheid die niet goed aansluit, kan slechter presteren dan een pad met een lagere geleidbaarheid die wel volledig contact maakt.
Wanneer moet een thermische pad worden gecontroleerd of vervangen?
Activeer inspectie of vervanging op basis van de conditie, niet volgens een vast schema. Controleer wanneer een component warmer wordt, na een demontage, of wanneer de pad compressievervorming, uitdroging, scheuren of contactverlies vertoont, en volg de richtlijnen van de leverancier voor levensduur en herstelwerkzaamheden. Voor afgedichte of niet-onderhoudbare assemblages dient de interface-strategie tijdens de ontwerpvalidatie te worden vastgesteld in plaats van te plannen op basis van controles in het veld.
Verder lezen
- ASTM D5470-17, Standaard testmethode voor de thermische transmissie-eigenschappen van thermisch geleidende elektrische isolatiematerialen — ASTM International-norm. Definieert de steady-state-methode die ten grondslag ligt aan de W/m·K- en thermische weerstandswaarden die voor thermische pads worden vermeld, en onderbouwt daarmee het punt dat de geleidbaarheid in het datasheet een testmethode-waarde is.
- Recente ontwikkelingen in thermische interfacematerialen voor thermisch beheer van hoogvermogenelektronica — peer-reviewed review, Nanomaterials (2022). Geeft een overzicht van TIM-typen en hun geleidbaarheidsbereik, en ondersteunt het onderscheid tussen alledaagse commerciële pads en materialen van onderzoekskwaliteit.
Gerelateerde artikelen
- Beste materialen voor warmteafvoer in elektronica — Vergelijkt de materiaaleigenschappen die ervoor zorgen dat bepaalde interface- en warmteverspreidende materialen beter in staat zijn om warmte uit compacte elektronica af te voeren.
- Wat is Phase Change Material? — Legt uit hoe faseveranderingsmaterialen warmte absorberen en afgeven om een stabiele temperatuur te behouden; een alternatieve interfaceklasse voor massieve pads.
- Wat is Thermisch vet? — Dit gedeelte beschrijft hoe thermische pasta de minuscule openingen tussen een processor en een koelblok opvult. In deze handleiding wordt de pasta-optie vergeleken met de koelpads.
