Mỡ tản nhiệt dành cho các thiết bị điện tử hoạt động ở nhiệt độ cao

Chất bôi trơn tản nhiệt dành cho các thiết bị điện tử hoạt động ở nhiệt độ cao không chỉ đơn thuần là phải chịu được một lần đo nhiệt độ trong phòng thí nghiệm. Nó phải duy trì được một đường dẫn truyền nhiệt mỏng và liên tục trong suốt các khoảng thời gian duy trì nhiệt độ kéo dài, các chu kỳ bật/tắt nguồn lặp đi lặp lại và áp lực cơ học thay đổi. Tiêu chí lựa chọn thực tế là tính ổn định giao diện Điện trở nhiệt sau khi ủ, chứ không chỉ đơn thuần là nhiệt độ cao nhất được ghi trên bảng thông số kỹ thuật.

Sự khác biệt này rất quan trọng đối với các mô-đun nguồn, bộ biến tần ô tô, bộ truyền động công nghiệp, bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF) và hệ thống chiếu sáng công suất cao. Một loại mỡ bôi trơn có thể cho kết quả xuất sắc trong các thử nghiệm ngắn hạn trên bàn thí nghiệm, nhưng sau đó lại từ từ trôi ra khỏi vùng tiếp xúc hoặc mất chất lỏng mang trong quá trình vận hành. Không có sự cố nghiêm trọng nào xảy ra ngay từ ngày đầu tiên. Nhiệt độ vỏ thiết bị chỉ tăng dần lên từng tháng một, đây là một kiểu hỏng hóc khá khó phát hiện.

Hướng dẫn này giải thích cách đánh giá các dữ liệu về tính chất hóa học, độ dày đường liên kết, độ nhớt, tính chất điện và quá trình lão hóa như một hệ thống thống nhất. Hãy bắt đầu với các thông tin hiện có nhóm vật liệu mỡ tản nhiệt, sau đó thu hẹp phạm vi lựa chọn dựa trên giao diện thực tế và đặc tính kỹ thuật của dịch vụ. Hướng dẫn này cũng chỉ ra những trường hợp mỡ bôi trơn không phải là vật liệu giao diện nhiệt phù hợp, bởi vì đôi khi, nói thật, lựa chọn mỡ bôi trơn tốt nhất lại chính là không dùng mỡ bôi trơn.

Nhiệt độ nào được coi là nhiệt độ cao đối với mỡ tản nhiệt điện tử?

“Nhiệt độ cao” không phải là một ngưỡng chung duy nhất. Điều này phụ thuộc vào nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc của mỡ bôi trơn, thời gian bề mặt đó duy trì ở nhiệt độ đó và tần suất chuyển đổi giữa các điều kiện nóng và lạnh. Một giới hạn ngắn hạn ở 200°C không tự động chứng nhận rằng hợp chất đó có thể hoạt động trong năm năm ở 150°C, cũng như nhiệt độ 150°C tại điểm nối bán dẫn không có nghĩa là chính chất bôi trơn đó đạt đến 150°C.

Nhiệt độ cực đại, nhiệt độ liên tục và nhiệt độ theo chu kỳ có ý nghĩa khác nhau

Một nhà cung cấp có thể công bố nhiều giới hạn khác nhau, và mỗi giới hạn trả lời một câu hỏi khác nhau:

• Phạm vi lưu trữ mô tả các điều kiện trước khi lắp ráp và vận hành.
• Nhiệt độ hoạt động liên tục cho biết khoảng thời gian sử dụng liên tục được khuyến nghị, tùy thuộc vào các điều kiện thử nghiệm của nhà cung cấp.
• Nhiệt độ cực đại hoặc nhiệt độ dao động quy định về các sự kiện ngắn và cần nêu rõ thời gian được phép.
• Phạm vi chu kỳ nhiệt điều này mô tả sự chuyển đổi lặp đi lặp lại giữa các mức nhiệt độ cực đoan, nhưng số chu kỳ, tốc độ tăng nhiệt và thời gian duy trì nhiệt độ vẫn là những yếu tố quan trọng.
• Nhiệt độ tại điểm nối thuộc về chất bán dẫn, chứ không tự động thuộc về lớp mỡ bên dưới vỏ bọc hoặc tấm đế.

Hãy bắt đầu từ cụm tản nhiệt thực tế. Ghi lại riêng biệt nhiệt độ điểm tiếp giáp bán dẫn, nhiệt độ vỏ hoặc tấm đế, nhiệt độ tại giao diện mỡ tản nhiệt và nhiệt độ bề mặt tản nhiệt. Hướng dẫn của Haktak về keo tản nhiệt có thể nóng đến mức nào cung cấp thêm thông tin cơ bản về cách giải thích các số liệu liên quan đến nhiệt độ, nhưng vẫn cần phải sử dụng cặp nhiệt điện hoặc mô hình nhiệt đã được xác thực cho cụm lắp ráp thực tế.

Hãy xây dựng một hồ sơ dịch vụ, chứ không phải một giới hạn riêng lẻ

Để xác định tiêu chuẩn kỹ thuật, hãy xác định nhiệt độ giao diện tối thiểu, bình thường và tối đa. Cần bổ sung thêm thời gian duy trì nhiệt độ, tốc độ tăng nhiệt, số chu kỳ, trạng thái có nguồn hoặc không có nguồn, điều kiện môi trường xung quanh và tuổi thọ dự kiến. Một bộ điều khiển công nghiệp được gia nhiệt liên tục sẽ gây ra vấn đề về mỡ bôi trơn khác với bộ biến tần ô tô, vốn khởi động lặp đi lặp lại từ trạng thái lạnh và tăng nhiệt nhanh chóng khi chịu tải.

Hướng đặt cũng là một yếu tố cần được nêu trong hồ sơ kỹ thuật. Một bộ tản nhiệt dọc sẽ tạo ra đường di chuyển khác cho chất lỏng mang nhiệt đã được làm mềm so với tấm làm mát ngang. Rung động, miếng đệm xốp và vật liệu cách nhiệt lân cận cũng có thể kéo hoặc đẩy chất lỏng ra khỏi bề mặt tiếp xúc.

Cách chất bôi trơn tản nhiệt truyền nhiệt trong một cụm linh kiện điện tử nóng

Chất bôi trơn tản nhiệt giúp cải thiện quá trình truyền nhiệt bằng cách thay thế không khí cách nhiệt trong các khe rãnh siêu nhỏ trên bề mặt. Chất này phát huy hiệu quả tốt nhất khi tạo thành một lớp màng rất mỏng, bám dính tốt và liên tục giữa hai bề mặt tương đối phẳng. Kết quả tổng thể tại giao diện là sự kết hợp giữa điện trở qua chính chất bôi trơn và điện trở tiếp xúc tại cả hai bề mặt; do đó, chỉ dựa vào độ dẫn điện thể tích thôi thì không thể dự đoán được nhiệt độ cuối cùng của thiết bị.

Một mối quan hệ tổng hợp đơn giản là:

Điện trở nhiệt = độ dày đường nối / (độ dẫn nhiệt × diện tích tiếp xúc)

Điều này tuy hữu ích, nhưng các bề mặt tiếp xúc thực tế lại tạo ra độ nhám, các khoảng trống, hiệu ứng lan tỏa và áp suất không đồng đều. Đó là lý do tại sao hai vật liệu có cùng giá trị W/mK lại có thể tạo ra mức chênh lệch nhiệt độ khác nhau giữa vỏ thiết bị và bộ tản nhiệt. Sự khác biệt giữa độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt đo được điều này đặc biệt quan trọng khi so sánh dữ liệu của các nhà cung cấp.

Nhiệt độ không chỉ thay đổi theo nhiệt độ

Khi mỡ nóng lên, độ nhớt và tính chất thấm ướt của nó có thể thay đổi. Nguồn nhiệt, tấm đế và bộ tản nhiệt cũng giãn nở với các tốc độ khác nhau. Sự không khớp lặp đi lặp lại này có thể ép vật liệu về phía mép và sau đó không thể kéo toàn bộ vật liệu trở lại khi cụm linh kiện nguội đi.

Áp suất kẹp cũng không hoàn toàn ổn định. Các chi tiết buộc chặt, lò xo, vỏ bọc và độ phẳng bề mặt tiếp xúc đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Vì vậy, đúng vậy, thiết kế nhiệt và thiết kế cơ khí có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Coi mỡ bôi trơn như một lớp sơn xám “thần kỳ” nằm giữa hai khối cứng là chỉ nhìn thấy một nửa vấn đề.

Loại dầu bôi trơn nào phù hợp để sử dụng ở nhiệt độ cao?

Không có loại chất bôi trơn hóa học nào tự động là lựa chọn tối ưu cho mọi giao diện điện tử hoạt động ở nhiệt độ cao. Các hệ thống dựa trên silicone được sử dụng rộng rãi vì chúng có khả năng chịu nhiệt độ rộng và tính chất thấm ướt hữu ích. Các hệ thống không chứa silicone có thể được ưa chuộng hơn khi sử dụng gần các bề mặt quang học, lớp phủ, điểm tiếp xúc điện hoặc trong các quy trình có hạn chế về siloxan. Trong cả hai trường hợp, công thức hoàn chỉnh và dữ liệu thử nghiệm lão hóa đều quan trọng hơn tên gọi của dòng sản phẩm.

Chất lỏng nền vận chuyển chất độn dẫn nhiệt vào các vị trí không bằng phẳng trên bề mặt. Chất làm đặc hoặc gói chất điều chỉnh độ nhớt giúp kiểm soát sự di chuyển, trong khi các chất phụ gia có thể ảnh hưởng đến độ ổn định oxy hóa, khả năng chống ăn mòn, khả năng thấm ướt và tính dễ xử lý. Chỉ cần thay đổi một thành phần, nhiều tính chất khác cũng có thể thay đổi theo.

Đã được xuất bản Các thông số của mỡ tản nhiệt cần được xem như một hệ thống liên kết. Việc tăng hàm lượng chất độn có thể làm tăng độ dẫn điện, nhưng cũng có thể làm tăng độ nhớt, giảm khả năng thấm ướt hoặc gây khó khăn cho quá trình phân phối tự động. Một hỗn hợp được cân bằng có thể mang lại hiệu quả vượt trội so với những con số ấn tượng trên bảng thông số kỹ thuật ngay khi nắp được siết chặt.

Không chứa silicone không có nghĩa là độ bay hơi thấp

“Không chứa silicone” là một hạn chế về mặt hóa học, chứ không phải là một khẳng định về độ tin cậy tuyệt đối. Các kỹ sư vẫn cần dữ liệu về sự mất khối lượng, hiện tượng tách dầu, tính tương thích với chất nền và hiệu suất nhiệt lâu dài. Trong các hệ thống quang học kín, hệ thống chân không hoặc hệ thống cảm biến, cần đánh giá Hiệu suất thoát khí của mỡ tản nhiệt so với yêu cầu về mức độ sạch thực tế.

Năm kiểu hư hỏng do nhiệt độ cao quan trọng hơn mức định mức được công bố

Mỡ bôi trơn chịu nhiệt cao thường bị suy giảm do sự thay đổi dần dần về vật liệu hoặc tại bề mặt tiếp xúc, chứ không phải do một ngưỡng nhiệt độ đột ngột. Các hiện tượng như bị bơm cạn, khô cứng, rò rỉ dầu, thay đổi tính lưu biến và sự không tương thích hóa học đều có thể làm tăng lực cản ngay cả khi mỡ bôi trơn vẫn còn tồn tại về mặt vật lý. Quá trình đánh giá cần phân biệt rõ các cơ chế này vì mỗi cơ chế đòi hỏi một giải pháp thiết kế hoặc công thức khác nhau.

1. Quá trình bơm xả trong quá trình thay đổi nhiệt độ

Hiện tượng “bơm ra” là quá trình chất bôi trơn bị đẩy ra khỏi vùng tiếp xúc hoạt động. Quá trình giãn nở và co lại lặp đi lặp lại, sự biến đổi áp suất, dao động nhiệt độ lớn cùng với độ phẳng bề mặt tiếp xúc kém có thể đẩy hợp chất về phía các mép. Khi đó, vùng trung tâm sẽ xuất hiện các vùng mỏng hoặc trống rỗng, và nhiệt độ tại các điểm nóng sẽ tăng lên.

Hướng dẫn chi tiết về Hiện tượng bơm hết mỡ tản nhiệt trong quá trình đạp xe giải thích cơ chế này một cách chi tiết hơn. Trong một dự án ở nhiệt độ cao, cần kiểm tra mức độ bao phủ sau khi thực hiện đợt kiểm kê theo chu kỳ đã lên kế hoạch, thay vì cho rằng chỉ cần độ nhớt cao là đủ để giải quyết vấn đề.

2. Sự bay hơi và tổn thất do chất bay hơi

Hiện tượng khô cạn xảy ra khi pha mang bị cạn kiệt do bay hơi, di chuyển hoặc hấp thụ vào các vật liệu xốp lân cận. Cấu trúc còn lại chứa nhiều chất độn có thể bị cứng lại, nứt vỡ hoặc mất liên kết. Nhiệt độ cao kéo dài có thể đẩy nhanh quá trình này, mặc dù tốc độ phụ thuộc rất nhiều vào tính chất hóa học, đường liên kết, mức độ tiếp xúc và các vật liệu xung quanh.

Vấn đề không phải là liệu một loại bột nhão có thay đổi theo thời gian hay không, mà là liệu sự thay đổi đó có vẫn ở mức chấp nhận được trong suốt thời gian sử dụng yêu cầu hay không. Xem phần giải thích riêng về Tại sao keo tản nhiệt lại bị khô? để phân biệt giữa sự lão hóa do sử dụng và hư hỏng do bảo quản.

3. Hiện tượng tách dầu và chất độn

Một vầng ướt nhỏ không nhất thiết là thảm họa. Tình trạng tách lớp nghiêm trọng thì khác: chất lỏng mang theo rời khỏi vùng đã được làm đầy, làm thay đổi thành phần tại chỗ và có thể gây ô nhiễm các điểm tiếp xúc, lớp phủ hoặc các bộ phận quang học lân cận. Hãy ghi lại cả lượng chất lỏng di chuyển lẫn điểm đến của nó trong quá trình thử nghiệm.

4. Làm cứng hoặc làm mềm bằng phương pháp nhiệt-oxy hóa

Nhiệt độ và oxy có thể làm thay đổi cấu trúc mạng của chất mang hoặc chất làm đặc. Một số vật liệu sẽ cứng lại và ngừng thích ứng; một số khác lại mất độ kết dính và bị sụt lún. Cả hai trường hợp này đều có thể gây ra vấn đề. Việc đo độ nhớt ở nhiệt độ phòng sau quá trình lão hóa cung cấp bằng chứng hữu ích, nhưng cần kết hợp với việc kiểm tra bề mặt tiếp xúc và thử nghiệm nhiệt.

5. Nguy cơ ăn mòn, ô nhiễm hoặc rủi ro về điện

Khả năng tương thích với nhiệt độ cao bao gồm đồng, nhôm, lớp mạ niken, gốm sứ, lớp phủ, chất đàn hồi và nhựa xung quanh vùng tiếp xúc. Các chất độn dẫn điện có thể gây ra rủi ro thêm nếu mỡ bôi trơn tiếp xúc với mạch điện đang hoạt động. Không nên sử dụng các tài liệu RoHS hoặc REACH để thay thế cho các thử nghiệm về ăn mòn, cách điện hoặc khả năng tương thích cụ thể cho từng ứng dụng; các tài liệu này giải quyết các vấn đề khác nhau.

Các thông số kỹ thuật cần so sánh trước khi mua mỡ tản nhiệt chịu nhiệt độ cao

Hãy so sánh các điều kiện thử nghiệm một cách cẩn thận không kém gì việc so sánh các giá trị. Một dải nhiệt độ mà không có thời gian duy trì, một giá trị độ dẫn điện mà không có phương pháp đo, hoặc một kết quả trở kháng mà không có độ dày đường nối và áp suất đều là không đầy đủ. Dữ liệu từ nhà cung cấp hữu ích nhất sẽ giúp các kỹ sư tái tạo được giao diện và hiểu được mức độ thay đổi về hiệu suất sau quá trình lão hóa nhiệt và môi trường.

Đối với một giao diện phẳng, được kẹp chặt, mỡ bôi trơn có điện trở nhiệt thấp vẫn nên được đánh giá dựa trên độ dày dự kiến khi sử dụng. Một loại mỡ có độ dẫn điện vừa phải ở độ dày 40 µm có thể mang lại hiệu quả tốt hơn so với một vật liệu có độ dẫn điện cao nhưng chỉ đạt độ dày 150 µm do quá cứng nên không thể phết đều.

Lựa chọn mỡ tản nhiệt phù hợp cho các ứng dụng điện tử ở nhiệt độ cao

Nhãn hướng dẫn sử dụng chỉ là điểm khởi đầu hữu ích, chứ không phải là thông số kỹ thuật của vật liệu. Một bộ biến tần ô tô và một bộ truyền động công nghiệp có thể sử dụng các mô-đun công suất tương tự nhưng phải đối mặt với các điều kiện khác nhau về số chu kỳ hoạt động, độ ẩm, độ rung và kế hoạch bảo trì. Cần lựa chọn loại mỡ bôi trơn phù hợp với cấu trúc lắp ghép thực tế, hệ thống kẹp, biểu đồ nhiệt độ và các vật liệu xung quanh trong từng thiết bị.

Mô-đun công suất IGBT và MOSFET

Chất bôi trơn thường nằm giữa tấm đế mô-đun và bề mặt làm mát bằng không khí hoặc chất lỏng. Các yếu tố quan trọng bao gồm độ cong của tấm đế, độ phẳng của tấm làm mát, bố trí vít, áp suất lắp đặt và diện tích in được. Các Nghiên cứu của NREL về các vật liệu TIM trong điện tử công suất chứng minh lý do tại sao điện trở ở lớp giao diện có thể ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ của mô-đun nguồn.

Thiết bị điện tử công suất SiC và GaN

Các thiết bị có khoảng cách dải năng lượng rộng có thể chịu được các điều kiện tiếp giáp khắc nghiệt, nhưng các bộ phận còn lại của vỏ đóng gói vẫn có những giới hạn nhất định. Chất hàn tấm đế, lớp bao bọc, các đầu nối, cảm biến và thiết bị tản nhiệt không trở nên “bất khả xâm phạm” chỉ vì chip là SiC. Cần xác định nhiệt độ giao diện chất bôi trơn một cách độc lập và kiểm tra độ tiếp xúc sau quá trình lão hóa.

Bộ biến tần, bộ sạc và bộ điều khiển dành cho ô tô

Các linh kiện ô tô phải chịu đựng các điều kiện như khởi động lạnh, tải trọng cao, rung động, độ ẩm và các chu kỳ kiểm định kéo dài. Hợp chất phù hợp phải có khả năng in hoặc phun ở quy mô sản xuất và duy trì độ ổn định trong toàn bộ phạm vi dung sai lắp đặt. Việc thử nghiệm trên một mẫu thử hoàn toàn phẳng trong phòng thí nghiệm là chưa đủ.

Bộ nguồn công nghiệp, bộ điều khiển động cơ và bộ gia nhiệt

Các cụm linh kiện này có thể duy trì nhiệt độ cao trong thời gian dài khi được đặt trong các tủ bụi bặm với lưu lượng không khí hạn chế. Các yếu tố như thời gian hoạt động liên tục, cách lắp đặt dọc và khả năng tiếp cận để bảo trì có thể là những yếu tố quyết định trong quá trình lựa chọn. Một loại hợp chất rất ổn định nhưng khó tháo gỡ cũng có thể gây ra các vấn đề trong quá trình sửa chữa, do đó công tác bảo trì cần được đưa vào bản yêu cầu thiết kế.

Đèn LED công suất cao, bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF) và thiết bị viễn thông

Đèn LED và các thiết bị tần số vô tuyến (RF) tạo ra nhiệt tập trung tại các bề mặt tiếp xúc có diện tích tương đối nhỏ. Thiết bị viễn thông ngoài trời còn phải chịu thêm các yếu tố như vỏ bọc kín, tải nhiệt từ năng lượng mặt trời và sự thay đổi điều kiện thời tiết theo chu kỳ. Các cụm linh kiện quang học cũng có thể đặt ra các hạn chế liên quan đến silicone hoặc các chất dễ bay hơi. Chất bôi trơn phải phù hợp với toàn bộ môi trường xung quanh, chứ không chỉ đơn thuần là bộ phận phát nhiệt.

Cách kiểm soát độ dày và quá trình phủ lớp keo dán ở quy mô sản xuất

Ngay cả loại mỡ bôi trơn ổn định về nhiệt cũng có thể không đạt yêu cầu nếu thể tích bôi trơn, độ phủ hoặc áp suất kẹp thay đổi. Quy trình sản xuất cần tạo ra một lớp màng mỏng có thể lặp lại mà không để phần giữa bị thiếu mỡ, không làm kẹt không khí hoặc làm tràn mỡ sang các bộ phận lân cận. Điều đó có nghĩa là bản vẽ, chương trình bôi trơn, trình tự lắp ráp và phương pháp kiểm tra đều thuộc phạm vi của thông số kỹ thuật nhiệt.

Chọn phương pháp thi công phù hợp với hình dạng cấu trúc

• Ống tiêm hoặc thiết bị phân phối tự động Phù hợp với các chấm, đường thẳng và hoa văn được lập trình sẵn, nhưng cần kiểm tra lại về khối lượng và vị trí đặt hạt.
• In khuôn có thể kiểm soát phạm vi phủ và độ dày lớp phủ trên các tấm đế của mô-đun.
• In lụa có thể đáp ứng sản xuất hàng loạt khi các thông số về tính lưu biến và kích thước mắt lưới được điều chỉnh phù hợp.
• Trải bằng con lăn hoặc bằng tay Có thể phù hợp với các mẫu thử nghiệm, nhưng phụ thuộc nhiều hơn vào sự điều khiển của người vận hành.
• Đơn đăng ký sơ bộ của nhà cung cấp có thể giảm thiểu sự biến động trong quá trình xử lý nếu các biện pháp bảo vệ trong quá trình vận chuyển và các điều kiện lắp ráp được xác định rõ ràng.

Tổng quan của Haktak về Các phương pháp bôi keo tản nhiệt có thể giúp so sánh các quy trình này. Dù sử dụng phương pháp nào đi chăng nữa, cần kiểm soát lớp nén cuối cùng thay vì chỉ kiểm soát lớp vật liệu ướt.

Kiểm tra giao diện đã lắp ráp

Việc tháo rời có kiểm soát là một trong những công cụ chẩn đoán đơn giản nhất. Tách các mẫu đại diện ra và kiểm tra mẫu đối chiếu. Tìm kiếm các điểm khô, các lỗ rỗng lớn, hiện tượng tràn ra không đều, hiện tượng mất mép và nhiễm bẩn. Đo Độ dày lớp liên kết ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất nhiệt dưới mô-men xoắn thực tế của bulông hoặc lực kẹp.

Đối với sản xuất hàng loạt, cần bổ sung khả năng truy xuất nguồn gốc lô nguyên liệu, kiểm tra trọng lượng định lượng, kiểm tra khuôn in và ghi chép mô-men xoắn. Các biện pháp kiểm soát này nghe có vẻ bình thường. Nhưng “bình thường” lại là điều tốt khi có hàng nghìn điểm kết nối cần phải hoạt động theo cùng một cách.

Cách kiểm định chất bôi trơn tản nhiệt dùng trong điều kiện nhiệt độ cao

Kiểm tra tính phù hợp của vật liệu trong cấu trúc thực tế hoặc cấu trúc đại diện trước và sau quá trình lão hóa. Dữ liệu độ dẫn điện ban đầu không thể phát hiện được hiện tượng “pump-out”, “dry-out”, ăn mòn hoặc hiện tượng mất tiếp xúc phụ thuộc vào áp suất. Một chương trình hữu ích sẽ ghi lại các thông số cơ bản về nhiệt và vật lý, áp dụng các ứng suất dự kiến, sau đó lặp lại các phép đo tương tự bằng cách sử dụng các tiêu chí chấp nhận đã được xác định trước.

Xác định mức cơ sở

Ghi lại lô vật liệu, lượng chất phủ, đường nối nén, quá trình xử lý bề mặt, mô-men xoắn của bulông và diện tích tiếp xúc. Đo nhiệt độ từ vỏ đến bồn hoặc điện trở nhiệt ở mức công suất được kiểm soát. Chụp ảnh mẫu đối chứng trên các mẫu được chỉ định và đo các tính chất điện ở những vị trí cần đảm bảo tính cách điện.

Để phân tích tính chất vật liệu, ASTM D5470 bao gồm các phép đo trở kháng nhiệt ở trạng thái ổn định đối với các loại chất dẫn nhiệt (TIM), bao gồm mỡ bôi trơn và bột nhão. Thử nghiệm lý tưởng hóa trong tiêu chuẩn này không thể tái tạo được mọi trường hợp lắp ráp thực tế, do đó cần kết hợp dữ liệu phòng thí nghiệm với các thử nghiệm ở cấp độ thiết bị.

Áp dụng các ứng suất lão hóa phù hợp

• Lưu trữ ở nhiệt độ cao hoặc duy trì trạng thái hoạt động trong điều kiện giao diện dự kiến
• Chu kỳ thay đổi nhiệt độ hoặc chu kỳ bật/tắt nguồn với độ dốc và thời gian duy trì thực tế
• Tiếp xúc với độ ẩm hoặc hiện tượng ngưng tụ (nếu có)
• Rung động và va đập cơ học đối với thiết bị di động hoặc thiết bị công nghiệp
• Hướng thẳng đứng hoặc ngược nếu trọng lực có thể ảnh hưởng đến quá trình di chuyển
• Thử nghiệm thoát khí đối với các hệ thống chân không, hệ thống quang học hoặc các hệ thống kín chặt chẽ

Trình tự thử nghiệm rất quan trọng. Việc tiếp xúc với độ ẩm trước rồi mới đến nhiệt có thể không cho kết quả giống như khi tiếp xúc với nhiệt trước rồi mới đến độ ẩm. Nếu môi trường thực tế kết hợp nhiều yếu tố gây căng thẳng, hãy bao gồm các phương án tiếp xúc kết hợp hoặc tuần tự khi mức độ rủi ro cho phép.

Đo lường những thay đổi

Lặp lại phép đo điện trở nhiệt hoặc nhiệt độ giữa vỏ và bộ tản nhiệt trong cùng điều kiện công suất và điều kiện biên. So sánh các thông số như khối lượng, độ phủ, đường nối, độ cứng hoặc độ chảy, hiện tượng di chuyển mép, sự ăn mòn và độ cách điện. Tiêu chí đạt yêu cầu có thể giới hạn sự gia tăng điện trở và sự mất độ phủ có thể quan sát được, đồng thời ngăn chặn sự ăn mòn hoặc sự thay đổi độ cách điện không an toàn.

Hãy sử dụng hướng dẫn này để các tiêu chuẩn kiểm tra TIM phổ biến để xây dựng một kế hoạch toàn diện hơn. Các tiêu chuẩn giúp nâng cao tính nhất quán, nhưng giới hạn chấp nhận cuối cùng vẫn phụ thuộc vào thiết kế sản phẩm.

Khi mỡ tản nhiệt không phải là chất dẫn nhiệt (TIM) tốt nhất cho nhiệt độ cao

Mỡ bôi trơn là lựa chọn phù hợp cho các bề mặt tiếp xúc mỏng, được kẹp chặt và có thể gia công lại, nhưng nó không phải là chất lấp khe hở đa năng. Nên xem xét sử dụng một loại chất dẫn nhiệt (TIM) khác khi khe hở lớn hoặc thay đổi, không thể kiểm soát độ dày lớp phủ, hiện tượng di chuyển chất lấp khe hở là không thể chấp nhận được, quy trình xử lý phải đảm bảo vệ sinh hơn hoặc bộ phận làm mát cũng cần được gắn kết về mặt kết cấu.

Việc so sánh Vật liệu thay đổi pha so với keo tản nhiệt là một bước tiếp theo hữu ích khi việc kiểm soát quá trình bơm ra hoặc việc phủ lớp nền tại nhà máy là yếu tố quan trọng. Không nên thay đổi định dạng chỉ dựa trên yếu tố thẩm mỹ; các yếu tố như áp suất, nhiệt độ kích hoạt, khả năng sửa chữa và độ bền theo thời gian vẫn cần được xem xét kỹ lưỡng.

Thông tin cần gửi cho nhà cung cấp mỡ tản nhiệt

Một nhà cung cấp chỉ có thể đưa ra đề xuất hữu ích khi đã nắm rõ các điều kiện thực tế về giao diện và dịch vụ. Việc gửi yêu cầu kiểu như “chúng tôi cần keo tản nhiệt có hệ số dẫn nhiệt 8 W/mK cho nhiệt độ 200°C” lại bỏ qua các yếu tố như hình dạng, áp suất, thời gian tiếp xúc và các hạn chế về điện – những yếu tố quyết định liệu vật liệu đó có thực sự hoạt động được hay không. Một bản tóm tắt kỹ thuật ngắn gọn sẽ giúp tiết kiệm được nhiều vòng phỏng đoán.

Bao gồm:

• Nguồn nhiệt, loại vỏ bọc và phương pháp làm mát
• Vật liệu nền và vật liệu bề mặt tản nhiệt
• Kích thước bề mặt, độ nhám, độ phẳng và bản vẽ
• Độ dày đường nối nén tối thiểu, danh nghĩa và tối đa
• Lực kẹp, kiểu bố trí vít và mô-men xoắn
• Nhiệt độ bề mặt tiếp xúc liên tục, nhiệt độ đỉnh và nhiệt độ theo chu kỳ
• Kiểm kê theo chu kỳ, tốc độ tăng dần, thời gian dừng và tuổi thọ
• Công suất, thông lượng nhiệt và nhiệt độ vỏ hoặc nhiệt độ điểm nối cho phép
• Các yêu cầu về điện áp, nối đất và điện môi
• Kiểm soát hướng, độ rung, độ ẩm, môi trường và ô nhiễm
• Silicone, hiện tượng thoát khí hoặc các yêu cầu về chất bị hạn chế
• Phương pháp phân phối hoặc in ấn, tốc độ sản xuất và sở thích về bao bì
• Các bài kiểm tra đánh giá năng lực và tiêu chí chấp nhận

Của Haktak’s hỗ trợ lựa chọn vật liệu và thử nghiệm có thể giúp chuyển hóa thông tin này thành các bước sàng lọc ứng viên, thử việc và kế hoạch phát triển nghề nghiệp. Chỉ nên yêu cầu ứng viên nộp mẫu sau khi các giới hạn quan trọng đã được làm rõ; nếu không, mỗi ứng viên sẽ có cách hiểu hơi khác nhau về công việc.

Kết luận

Chất bôi trơn tản nhiệt tốt nhất cho các thiết bị điện tử hoạt động ở nhiệt độ cao không chỉ đơn thuần là sản phẩm có ngưỡng nhiệt độ hoặc độ dẫn nhiệt cao nhất. Đó là vật liệu có thể đạt được độ dày lớp kết dính theo yêu cầu, bám đều trên các bề mặt thực tế, duy trì trong vùng tiếp xúc và vẫn đảm bảo hiệu suất tản nhiệt và điện ở mức chấp nhận được sau khi chịu tác động của nhiệt độ dự kiến, chu kỳ nhiệt và các điều kiện môi trường.

Hãy bắt đầu bằng việc phân tích biểu đồ nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc. Sau đó, so sánh các yếu tố hóa học, lưu biến học, trở kháng nhiệt, độ bay hơi, tính chất điện và khả năng kiểm soát ứng dụng. Cuối cùng, tiến hành kiểm định cụm linh kiện đã lắp ráp trước và sau quá trình lão hóa. Quy trình này có thể không hấp dẫn bằng việc chỉ chọn giá trị W/mK cao nhất, nhưng nó phản ánh sát thực tế hơn cách thức chế tạo phần cứng đáng tin cậy.

Câu hỏi thường gặp

Chất bôi trơn nhiệt chịu nhiệt độ cao có thể chịu được nhiệt độ bao nhiêu?

Không có giới hạn chung nào cả. Các sản phẩm thương mại có thể được đánh giá ở mức nhiệt độ từ khoảng 150°C đến trên 200°C, trong khi các hợp chất chuyên dụng có thể đạt được phạm vi nhiệt độ cao hơn. Hãy kiểm tra xem giá trị đó là giá trị liên tục hay chỉ trong thời gian ngắn, sau đó xem xét thời gian tác động, môi trường, đường nối và hiệu suất sau quá trình lão hóa của sản phẩm cụ thể.

Nhiệt độ hoạt động tối đa có giống với nhiệt độ hoạt động liên tục không?

Không hẳn vậy. Giá trị tối đa có thể mô tả một dao động ngắn hoặc một giới hạn mà tại đó không quan sát thấy hư hỏng ngay lập tức. Để đảm bảo hoạt động liên tục, cần có bằng chứng cho thấy các tính chất nhiệt, vật lý và điện vẫn ở mức chấp nhận được trong suốt thời gian hoạt động và tuổi thọ dự kiến.

Keo tản nhiệt có khô nhanh hơn ở nhiệt độ cao không?

Nhiệt độ cao kéo dài có thể làm tăng tốc độ mất các chất bay hơi, sự di chuyển của chất mang và quá trình lão hóa hóa học, nhưng tốc độ này phụ thuộc vào công thức, lớp kết dính, các vật liệu lân cận và môi trường xung quanh. Quá trình thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại có thể làm tăng lượng chất bị hút ra ngay cả khi nhiệt độ trung bình ở mức vừa phải.

Tại sao keo tản nhiệt lại bị bơm ra ngoài trong quá trình thử nghiệm nhiệt tuần hoàn?

Các vật liệu khác nhau trong chồng lớp sẽ giãn nở và co lại với mức độ khác nhau. Sự chuyển động lặp đi lặp lại và những thay đổi về áp suất có thể đẩy mỡ bôi trơn về phía mép tiếp giáp. Độ phẳng, thiết kế kẹp, độ nhớt, dao động nhiệt độ và số chu kỳ đều ảnh hưởng đến kết quả.

Dầu mỡ có chứa silicone hay không chứa silicone thì tốt hơn cho các thiết bị điện tử hoạt động ở nhiệt độ cao?

Không phải lúc nào một loại nào cũng tốt hơn loại kia. Các hệ thống chứa silicone thường có khả năng chịu nhiệt trong dải nhiệt độ rộng. Các hệ thống không chứa silicone có thể phù hợp với các ứng dụng có hạn chế về siloxan, tính quang học, lớp phủ hoặc tiếp xúc. Hãy so sánh hiệu suất nhiệt sau thời gian lão hóa, hiện tượng di chuyển, độ bay hơi và tính tương thích đối với công thức cụ thể.

Có thể sử dụng keo tản nhiệt ở nhiệt độ trên 200°C không?

Một số sản phẩm chuyên dụng được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ trên 200°C, nhưng phạm vi nhiệt độ do nhà cung cấp quy định phải được kiểm chứng dựa trên thời gian tiếp xúc và toàn bộ cụm lắp ráp. Trong những điều kiện đó, độ ổn định của chất mang, quá trình oxy hóa, hiện tượng thoát khí, sự ăn mòn và các giới hạn của polymer lân cận trở nên đặc biệt quan trọng.

Độ dẫn nhiệt cao hơn có phải lúc nào cũng đồng nghĩa với nhiệt độ thiết bị thấp hơn không?

Không. Nhiệt độ cuối cùng còn phụ thuộc vào độ dày lớp liên kết, điện trở tiếp xúc, độ phủ, áp suất, khả năng tản nhiệt và hệ thống làm mát. Một loại mỡ có độ dẫn nhiệt thấp hơn, được bôi thành lớp mỏng và đồng đều, có thể mang lại hiệu quả tốt hơn so với một loại hợp chất có độ dẫn nhiệt cao nhưng cứng hơn và được bôi quá dày.

Độ dày của lớp keo tản nhiệt nên là bao nhiêu?

Lớp mỡ này cần đủ mỏng để giảm thiểu lực cản do độ dày, đồng thời vẫn lấp đầy các khuyết điểm về độ nhám bề mặt và độ phẳng. Giá trị chính xác phụ thuộc vào cả hai bề mặt, áp suất và tính lưu biến của mỡ bôi trơn. Cần xác định và đo lường độ dày của lớp mỡ sau khi nén thay vì sử dụng một độ dày chung cho mọi trường hợp.

Làm thế nào để kiểm tra chất bôi trơn tản nhiệt sau quá trình lão hóa ở nhiệt độ cao?

Đo điện trở nhiệt ban đầu hoặc nhiệt độ giữa vỏ và bộ tản nhiệt, đường nối và tình trạng vật lý. Áp dụng các mức ứng suất cần thiết về thời gian giữ, chu kỳ và môi trường, sau đó lặp lại các phép đo tương tự. Kiểm tra độ phủ, hiện tượng lan ra mép, độ cứng, hiện tượng chảy màu, sự ăn mòn và độ cách điện theo các giới hạn đã định trước.

Khi nào nên thay thế mỡ tản nhiệt bằng vật liệu thay đổi pha hoặc miếng đệm tản nhiệt?

Hãy xem xét một phương án thay thế khi khe hở giao diện quá lớn, độ dày của sản phẩm khó kiểm soát, hiện tượng di chuyển lặp lại là không thể chấp nhận được hoặc việc xử lý sản phẩm đã định hình sẵn một cách sạch sẽ là yếu tố quan trọng. Hãy so sánh phương án thay thế này trong điều kiện áp suất, nhiệt độ và độ lão hóa thực tế trước khi thay đổi định dạng.