Введение

Тепловая паста (также называемая тепловым соединением, тепловым жиром, материалом теплового интерфейса (TIM), тепловым гелем, пастой для радиатора, соединением для теплоотвода или термопастой для процессора) – это химическое соединение, обладающее теплопроводностью (но обычно не электропроводностью), которое широко используется в качестве интерфейса между теплоотводами и источниками тепла, такими как мощные полупроводниковые приборы. Основная функция тепловой пасты – устранение воздушных зазоров или пустот (которые служат теплоизоляцией) в области контакта для максимизации теплопередачи и рассеивания тепла. Тепловая паста является примером материала теплового интерфейса. В отличие от термоклея, тепловая паста не обеспечивает механическую прочность соединения между источником тепла и теплоотводом. Для фиксации теплоотвода и создания давления, необходимого для растекания и утонения тепловой пасты, требуется использование крепежных элементов, таких как винты.

Состав

Термопаста состоит из полимеризуемой жидкой матрицы и больших объемных фракций электрически изолирующего, но теплопроводящего наполнителя. Типичными материалами матрицы являются эпоксидные смолы, силиконы (силиконовая смазка), уретаны и акрилаты; также доступны системы на основе растворителей, клеи-расплавы и клейкие ленты, чувствительные к давлению. В качестве наполнителей для этих типов клеев используются оксид алюминия, нитрид бора, оксид цинка и всё чаще нитрид алюминия. Содержание наполнителя может достигать 70–80% по массе, что повышает теплопроводность базовой матрицы с 0,17–0,3 Вт/(м·К) (Ватт на метр-кельвин) до примерно 4 Вт/(м·К), согласно данным 2008 года. Термосоединения на основе серебра могут иметь теплопроводность от 3 до 8 Вт/(м·К) и выше и состоят из микронизированных частиц серебра, диспергированных в силиконовой/керамической среде. Однако термопаста на основе металла может обладать электрической проводимостью и ёмкостью; попадание её на электронные схемы может привести к сбоям и повреждениям. Наиболее эффективные (и самые дорогие) пасты почти полностью состоят из жидкого металла, обычно сплава на основе галлистана, и имеют теплопроводность более 13 Вт/(м·К). Наносить их равномерно сложно, и они представляют наибольший риск возникновения сбоев из-за проливов. Эти пасты содержат галлий, который оказывает сильное коррозионное воздействие на алюминий и не может использоваться с алюминиевыми радиаторами.

Применение

Термопаста используется для улучшения теплового контакта между различными компонентами. Типичное применение – отвод тепла, выделяемого электрическим сопротивлением в полупроводниковых устройствах, таких как силовые транзисторы, процессоры, графические процессоры и светодиодные модули COB. Охлаждение этих устройств критически важно, поскольку избыточное тепло быстро ухудшает их характеристики и может привести к необратимому перегреву и катастрофическому выходу из строя из-за отрицательного температурного коэффициента полупроводников. В серийных компьютерах и ноутбуках (хотя реже в планшетах и смартфонах) термопаста обычно наносится между верхней частью корпуса процессора и радиатором для охлаждения. Термопаста также иногда используется между кристаллом процессора и его встроенным распределителем тепла, хотя в некоторых случаях вместо неё применяют припой. Когда распределитель тепла процессора контактирует с кристаллом через термопасту, энтузиасты, занимающиеся разгоном, могут в процессе, известном как "delidding" (снятие крышки), отделить распределитель тепла, или "крышку" процессора, от кристалла. Это позволяет им заменить термопасту, которая обычно имеет низкое качество, на термопасту с более высокой теплопроводностью. В таких случаях обычно используются жидкие металлические термопасты.

Вызовы

Консистенция термопасты делает её подверженной механизмам разрушения, отличным от некоторых других термоинтерфейсных материалов. Один из распространенных механизмов – вытеснение (pump-out), которое представляет собой потерю термопасты из-за зазора между кристаллом и радиатором, вызванную их различной скоростью теплового расширения и сжатия. После большого количества циклов включения-выключения термопаста вытесняется из-зазора между кристаллом и радиатором, что в конечном итоге приводит к ухудшению теплопроводности. Другая проблема, свойственная некоторым составам, заключается в разделении полимерной основы и наполнителя при высоких температурах. Потеря полимерного материала может привести к ухудшению смачиваемости, что увеличивает тепловое сопротивление.