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.
Thermal paste (also called thermal compound, thermal grease, thermal interface material (TIM), thermal gel, heat paste, heat sink compound, heat sink paste or CPU grease) is a thermally conductive (but usually not electrically conductive) chemical compound, which is commonly used as an interface between heat sinks and heat sources such as high power semiconductor devices. The main role of thermal paste is to eliminate air gaps or spaces (which act as thermal insulation) from the interface area in order to maximize heat transfer and dissipation. Thermal paste is an example of a thermal interface material. As opposed to thermal adhesive, thermal paste does not add mechanical strength to the bond between heat source and heat sink. It has to be coupled with a fastener such as screws to hold the heat sink in place and to apply pressure, spreading and thinning the thermal paste.
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.