Adesivos para dissipadores de calor são componentes úteis. Eles podem ser usados para fixar dissipadores de calor a dispositivos eletrônicos como CPUs, PCBs e GPUs. Os adesivos transferem calor da peça para o dissipador de calor, mantendo os dispositivos mais frios e fixando firmemente o dissipador de calor.
Este artigo discute vários tipos de adesivos para dissipadores de calor, suas aplicações, desafios e aspectos de testes.
O que é adesivo para dissipador de calor?
Dissipador de calor adesivo é uma ligação especial termicamente condutora. Você pode usá-los para fazer fixações fortes entre duas superfícies, dissipadores de calor e/ou outras peças como semicondutores, CPUs, etc. Além disso, esses adesivos fazem mais do que apenas segurar os componentes no lugar; eles removem o calor excessivo e resfriam as peças. Você pode usá-los para preencher as lacunas sem precisar de parafusos ou clipes.
A imagem dada mostra como o adesivo do dissipador de calor faz um forte contato térmico. Ela demonstra a transferência de calor do SC para o dissipador de calor usando materiais térmicos (TIM) como CuW e CuMo. Isso mantém o desempenho do dispositivo eletrônico e permite uma dissipação de calor eficiente.
Tipos de adesivos para dissipadores de calor:
1. Fitas Térmicas:
As fitas térmicas são finas (0.05 mm a 0.2 mm) e adesivas em ambos os lados. Essas fitas são fáceis de usar. Os fabricantes usam acrílico, silicone ou materiais de mudança de fase para fitas térmicas.
As fitas acrílicas são principalmente fortes e duráveis. Enquanto isso, as fitas de silicone são as melhores opções para flexibilidade e manuseio de altas temperaturas (até 200°C ou mais). Os materiais de mudança de fase derretem levemente quando atingem 45°C a 80°C, preenchendo melhor as lacunas.
2. Epóxis:
O adesivo epóxi geralmente usa uma ligação permanente. Ele vem em ambos os tipos: soluções de um componente (prontas para uso) ou de dois componentes. Misture bem as duas soluções compostas antes de usar. Ambos os adesivos oferecem fixações fortes, mas o epóxi é a melhor escolha para peças de serviço pesado.
3. Adesivos à base de silicone:
Adesivos à base de silicone são menos fortes que epóxi, mas oferecem flexibilidade. Eles podem suportar altas temperaturas e resistir ao envelhecimento. Eles podem ser usados para configurações temporárias a menos permanentes.
Propriedades dos adesivos para dissipadores de calor
| Tipo de Adesivo | Condutividade térmica (W / mK) | Resistência Térmica (°C/W) | Força de ligação (psi) | Faixa de temperatura operacional (° C) | Tempo de cura (min) |
|---|---|---|---|---|---|
| Epóxi | 0.5-1.5 | 0.05-0.2 | 1,000-3,000 | -40 para 150 | 30-60 |
| Acrylic | 0.2-0.8 | 0.1-0.5 | 500-2,000 | -20 para 120 | 10-30 |
| Poliimida | 0.5-2.0 | 0.05-0.2 | 1,500-4,000 | -40 para 250 | 60-120 |
| Silicone | 0.2-0.8 | 0.1-0.5 | 500-2,000 | -50 para 200 | 10-30 |
| à base de cerâmica | 1.0-5.0 | 0.02-0.1 | 1,000-3,000 | -40 para 250 | 30-60 |
| Baseado em grafite | 2.0-10.0 | 0.01-0.05 | 500-2,000 | -40 para 150 | 10-30 |
Propriedades dos adesivos para dissipadores de calor
Adere termicamente condutivo:
A condutividade térmica dos adesivos mostra o quão bem eles dissipam o calor. Por exemplo, um adesivo com condutividade de 1-3 W/mK é melhor para uso geral. No caso de peças de alto desempenho, use adesivos com >5 W/mK para melhor dissipação térmica.
Os fabricantes medem a condutividade usando ferramentas como um medidor de condutividade térmica. Eles aquecem o adesivo em um lado e testam a rapidez com que ele passa calor.
Além disso, vários enchimentos, como partículas de cerâmica, metal ou grafite, ajudam a melhorar a transferência de calor. Os fabricantes os misturam em adesivos durante a fabricação.
Isolamento elétrico:
Muitos adesivos de dissipadores de calor (silício e epóxi) contêm atributos de isolamento elétrico devido à não condutividade do material por natureza. Isso significa que eles impedem o fluxo ou não conduzem eletricidade. O isolamento elétrico reduz curtos-circuitos em dispositivos.
Viscosidade:
A viscosidade mede a espessura do adesivo em centipoise (cP). Por exemplo, adesivos em pasta têm uma viscosidade de 10,000 cP.
Adesivos de alta velocidade são frequentemente difíceis de usar, mas permanecem firmes nas superfícies. Em contraste, adesivos contêm baixa viscosidade, pingam ou causam sujeira, mas são fáceis de manusear.
Tempo de cura:
O tempo de cura do adesivo se refere ao processo de secagem. Muitos adesivos secam rapidamente (2 a 5 minutos), enquanto outros levam até 24 horas.
Os fabricantes usam certas ferramentas como pistolas de ar quente ou fornos para acelerar o processo de secagem. Por exemplo, em locais industriais, eles aplicam calor de 80 a 100°C no epóxi para reduzir o tempo de cura de horas para minutos.
Desgaseificação:
Desgaseificação é o processo natural de liberação de gases de componentes. Adesivos formam gases conforme secam.
Muito gás pode danificar partes sensíveis como espaço ou dispositivos médicos. Para isso, você pode usar adesivos que liberam menos de 1% do seu peso como gás.
Força de adesão:
A força adesiva do dissipador de calor nem sempre permanece constante. Por exemplo, a ligação epóxi oferece maior força (acima de 10 MPa), enquanto as fitas não são mais fortes e são removidas facilmente.
Você pode medi-los puxando fortemente as superfícies unidas para longe. Verifique quanta força eles usam em megapascals (MPa).
Térmico Materiais de Interface
A principal função dos TIMs em adesivos de dissipadores de calor é melhorar a transferência de calor. Eles preenchem as pequenas lacunas, reduzem bolsas de ar e fazem forte contato entre as superfícies.
Por exemplo, o diagrama mostra uma comparação da transferência de calor com e sem um TIM. O contato direto deixa espaços de ar e impede o fluxo de calor, por meio do qual o uso do TIM reduz significativamente a temperatura da superfície. Além disso, ele melhora a dissipação geral de calor.
Importância do adesivo para dissipador de calor
Transferência de calor e gerenciamento térmico:
Normalmente, cada parte elétrica gera calor significativo durante a operação. Por exemplo, sobrecarregar a CPU causa calor excessivo de até 100-150 watts. Portanto, a remoção do superaquecimento é necessária no caso de proteger o dispositivo contra danos.
Adesivos de dissipador de calor oferecem excelente condutividade térmica. Eles preenchem lacunas microscópicas tão pequenas quanto 0.01 mm para reduzir a resistência térmica. Assim como esta imagem mostra, design de dissipador de calor.
Onde uma parede base representa a fonte de calor dissipando o calor através de numerosas aletas verticais (zona de aleta de pino). Adicionar uma tampa superior permite que o ar passe pelas aletas. Isso efetivamente transfere o calor para longe.
Esses designs de dissipador de calor oferecem área suficiente para mover o calor de forma eficiente, além de permitir que o dispositivo opere dentro de limites de temperatura seguros.
Função na manutenção do desempenho ideal do dispositivo:
O superaquecimento desacelera as tarefas. Por exemplo, o superaquecimento na CPU reduz sua velocidade. Ele reduz o desempenho em 30-50% e consome mais energia.
O adesivo do dissipador de calor mantém o limite de temperatura. Ele permite que os dispositivos funcionem com eficiência máxima. Além disso, o gerenciamento térmico adequado pode aumentar a vida útil em 20-30%, reduzindo o custo de reparo.
Consequências de adesivos inadequados:
Considere os parâmetros do seu projeto ao usar qualquer adesivo. Como temperatura, fragilidade, materiais e usos.
Adesivo inadequado pode aumentar a resistência térmica (50% ou mais) devido ao preenchimento inadequado da lacuna. Isso causa pontos quentes nos quais os limites de calor podem atingir 100 °C ou mais. Pontos quentes danificam as peças sensíveis. Isso retarda suas operações e causa mau funcionamento.
Por exemplo, usar adesivo ruim para unir o dissipador de calor na GPU pode exceder o limite de calor. Isso leva a travamentos ou até mesmo a um desligamento completo.
Escolhendo o Adesivo Correto para Dissipador de Calor
1. Movimento de calor (condutividade térmica)
Meça a condutividade térmica do adesivo de dissipador de calor escolhido. Por exemplo, você deve usar adesivos com condutividade de 1-3 W/mK para luzes de LED, PCBs ou transistores de potência.
Maior condutividade (até 8 W/mK) também move bem o calor entre dispositivos de serviço pesado, como servidores ou baterias de veículos elétricos. Usar o adesivo errado pode levar a um movimento de calor ruim ou vida útil reduzida.
O visual mostra um sistema de dissipador de calor para peças eletrônicas, dissipando efetivamente o calor gerado pelo CI. Os engenheiros montam esse chip gerador de calor (CI) no PCB. Eles usam adesivos TIM1 e TIM2. Isso melhora o movimento do calor entre o chip, os dissipadores de calor (HSP) e o dissipador de calor principal (HS).
2. Resistência à temperatura:
O adesivo do dissipador de calor deve resistir a altas temperaturas. Por exemplo, resistência de 100-150°C funciona melhor para eletrônicos domésticos.
No entanto, peças de alto desempenho, como motores de carro ou máquinas industriais, precisam de resistência de 200°C ou mais. Adesivos de manuseio de baixa temperatura são adequados porque eles quebram, levando a um desempenho ruim.
3. Limpeza e preparação de superfícies:
Prepare superfícies para criar uma ligação forte. Para isso, 90-99% de isopropil é usado para limpar partes profundas e detalhadas. Remova sujeira, graxa e oxidação. Não se esqueça de lixar levemente superfícies ásperas para garantir que o adesivo funcione conforme o esperado.
4. Prevenção de problemas elétricos:
Placas de circuito ou sensores precisam de adesivos com isolamento elétrico. Porque essas ligações evitam curtos-circuitos e vazamentos elétricos. O trabalho à base de silicone é melhor neste caso. Por exemplo, os fabricantes usam adesivos não condutores (>10^12 ohm-cm resistividade) em fontes de alimentação.
5. Espessura e fluxo:
A espessura do adesivo importa ao preencher as lacunas. Por exemplo, lacunas de 0.1 mm precisam de baixas velocidades de até 10,000 cP, como smartphones. Por outro lado, lacunas maiores (até 0.5 mm) de motores industriais precisam de adesivos mais espessos.
6. Tempo de cura necessário para adesivo
As ligações adesivas curam em tempos diferentes. Isso depende de seus tipos, forma e estrutura química. Algumas ligações podem curar em 5 a 10 minutos, enquanto outras precisam de um dia inteiro.
Adesivos de cura rápida são adequados para reparos rápidos. Ligações de cura mais lenta funcionam melhor em designs complexos. Elas permitem que você faça ajustes durante as aplicações.
7. Compatibilidade de material:
Selecione os adesivos que se encaixam perfeitamente no material do seu dispositivo. Isso significa que não deve danificar o objeto. Por exemplo, você pode usar cola epóxi para colagem de metais, ou para plásticos, pegue uma (silício) que não rache ou descasque com o tempo.
Desafios e limitações dos adesivos para dissipadores de calor
Degradação Térmica:
Constantemente expostos a altas temperaturas podem quebrar ligações. Temperaturas intensas afetam sua força e condutividade térmica. Como exemplo, ligações de dissipadores de calor de silicone podem degradar 20-30% quando expostas a calor prolongado.
Sensibilidade à umidade:
Os adesivos podem absorver até 2-5% de umidade. Isso geralmente ocorre devido a um ambiente úmido. A umidade reduz sua força de ligação em 15-20%. Use recipientes lacrados para armazenar adesivos com menos de 40% de umidade.
Envelhecimento e Degradação:
A oxidação ou exposição UV é a principal causa do envelhecimento ou degradação do adesivo. Como resultado, as ligações podem endurecer, rachar ou perder flexibilidade.
Estratégias de Mitigação:
● Você pode aplicar vários revestimentos de barreira, como dióxido de titânio e óxido de zinco. Esses revestimentos ajudam a proteger os adesivos da umidade e dos raios UV.
● Tente armazenar os adesivos em locais frescos e secos, abaixo de 25°C.
● Existem muitos aditivos antienvelhecimento disponíveis para uso com adesivos para maior durabilidade.
Métodos de teste de adesivos para dissipadores de calor
Método de desvio:
Os fabricantes primeiro prendem o dissipador de calor à fonte de calor sem usar adesivos. Isso porque eles querem medir o desempenho térmico de base e o quanto ele pode lidar com o movimento de calor e resfriar as peças por conta própria.
Bloqueio de fluxo sem método de desvio:
Nesta fase, os fabricantes bloqueiam o fluxo de ar para iniciar uma ventilação ruim. Isso permite que eles determinem o quão bem o adesivo funciona em situações críticas.
Método de fonte de calor tipo sanduíche:
Os fabricantes fazem fontes de calor tipo sanduíche usando dois dissipadores de calor. Eles colocam uma fonte de calor entre eles e aplicam adesivo em ambos os lados. Esse método os ajuda a monitorar o calor uniformemente distribuído.
String para método de suspensão do dissipador de calor:
Suspenda o dissipador de calor Usando barbante para isolar seus efeitos. Esta técnica ajuda a calcular o desempenho térmico sem contato físico. Este método mantém a eficácia do adesivo separada para mostrar como ele muda a temperatura, por exemplo, de 100°C para 70°C.
Descuidos comuns:
● Não negligencie os aspectos ambientais ao realizar os testes. Como umidade, poeira ou flutuações de temperatura. Por exemplo, 60% de umidade pode impactar o desempenho do adesivo em até 10-15%.
● Cada método pode não ser adequado para condições simuladas do mundo real. Por exemplo, fluxo de ar ruim ou superfícies irregulares resultam em resultados errôneos.
● Teste adesivos por longos períodos em vez de curtos. O envelhecimento de longo prazo (por exemplo, mais de 1,000 horas) ajuda a avaliar a durabilidade.
Adesivos para dissipadores de calor em hardware de IA
Adesivos de dissipador de calor são decisivos para hardware de IA. Por exemplo, servidores de IA e clusters de GPU criam muito calor. Então esses sistemas usam chips poderosos. Curiosamente, esses chips precisam permanecer frios para funcionar bem. Adesivos de dissipador de calor ajudam a afastar o calor dos chips. Bons adesivos devem conduzir bem o calor.
Conclusão:
Adesivos de dissipador de calor melhoram significativamente o movimento de calor em peças eletrônicas. Eles mantêm os dispositivos resfriados. Usando os adesivos certos, você pode evitar o superaquecimento e estender a vida útil do dispositivo. Além disso, vários aspectos como condutividade térmica, resistência à temperatura e testes adequados para melhores saídas devem ser considerados.
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