Khi nào các kỹ sư nên tránh sử dụng miếng đệm nhiệt PCM?

Một miếng đệm chuyển pha hoạt động rất hiệu quả trên một GPU. Vì vậy, có người đề xuất sử dụng cùng một vật liệu cho các VRM có chiều cao khác nhau. Một vật liệu, một bản vẽ. Gọn gàng, phải không?

Tuy nhiên, kế hoạch đó có thể nhanh chóng đổ bể.

PCM là một giải pháp chuyên dụng mạnh mẽ, không phải vật liệu nâng cấp tản nhiệt đa năng. Vật liệu này phù hợp với các mối ghép mỏng, phẳng, được kẹp chặt và đủ ấm để kích hoạt. Nếu cần lấp một khe hở lớn, cố định bộ tản nhiệt hoặc chịu được việc tháo lắp hàng tuần, một loại TIM khác thường sẽ phù hợp hơn.

Các bước kiểm tra này giúp kỹ sư loại bỏ giải pháp không phù hợp trước khi chế tạo đồ gá, thẩm định hoặc phát sinh sản phẩm bị trả về từ hiện trường.

PCM là chuyên gia về lớp giao diện mỏng, không phải miếng đệm tản nhiệt đa dụng

Vật liệu điện tử PCM ở trạng thái rắn hoặc bán rắn trong quá trình thao tác. Trong khoảng chuyển tiếp, vật liệu mềm ra dưới áp lực và làm ướt những điểm không đồng đều rất nhỏ trên bề mặt. Đường liên kết ổn định dần và điện trở tiếp xúc giảm xuống. Đó là cách miếng đệm nhiệt PCM thực sự hoạt động.

Thuật ngữ “pad” dễ gây nhầm lẫn. Tấm đệm khe hở silicone là một miếng đệm mềm dùng để lấp đầy khoảng hở vật lý. PCM giống một lớp màng kích hoạt bằng nhiệt đặt giữa các bề mặt vốn đã nằm sát nhau hơn.

Dưới đây là kết quả sàng lọc sơ bộ:

Hầu hết “nhược điểm” của PCM thực chất là do không phù hợp với ứng dụng. Phát hiện sớm một trường hợp như vậy chính là thành công.

Tránh PCM khi khe hở lớn, không đồng đều hoặc khó dự đoán

Một lớp màng mỏng không thể bù chênh lệch độ cao giữa nhiều linh kiện

Hãy tưởng tượng bạn kéo màng bọc thực phẩm phủ lên một hàng khối đồ chơi. Màng chạm vào khối cao nhất và lơ lửng phía trên những khối còn lại. Làm ấm màng không thể tạo thêm phần chiều cao còn thiếu.

Vấn đề tương tự cũng xuất hiện bên dưới các bộ tản nhiệt dùng chung. VRAM, VRM và các linh kiện trên bo mạch hiếm khi nằm cùng một mặt phẳng. Độ dày lớp hàn, độ cong của bo mạch PCB, và dung sai của gói linh kiện cộng dồn. PCM làm ướt các điểm nhấp nhô vi mô; vật liệu này không thể bù đắp một chuỗi dung sai lớn.

Xếp chồng các tấm không phải là giải pháp xử lý triệt để. Cách này làm tăng chiều dày đường keo và tạo thêm các mặt phẳng trượt. Các miếng vá cắt thủ công có thể để lại đường nối và những vùng không có keo.

Độ phẳng và sự biến thiên áp suất tạo ra các vùng khô ẩn

Một khe hở danh nghĩa nhỏ vẫn có thể khiến hệ thống không đạt yêu cầu khi bộ tản nhiệt bị nghiêng hoặc cong vênh. Một bên bị kẹp chặt, trong khi bên kia chỉ vừa chạm. Khi đó, kết quả sẽ khác nhau giữa từng sản phẩm.

Sự so sánh giữa một Tấm tản nhiệt PCM và tấm tản nhiệt truyền thống bắt đầu từ đây. PCM tạo ra một lớp tiếp xúc thấm ướt mỏng. Một tấm đệm đàn hồi cung cấp khả năng biến dạng tổng thể thông qua độ nén được kiểm soát.

Đối với khe hở lớn hơn nhưng đồng đều, hãy cân nhắc tấm đệm khe hở bằng silicone hoặc không silicone. Với các mức chiều cao khác nhau, bề mặt không đồng đều hoặc các mối hàn mảnh, vật liệu có thể định lượng tấm đệm tản nhiệt có thể thích ứng với ứng suất lắp ráp thấp hơn.

Các phương án thay thế cũng cần được thử nghiệm. Tấm đệm cần được kiểm tra độ nén và lão hóa. Gel cần được kiểm soát về thể tích, độ chảy xệ, hiện tượng tách dầu và khoảng rỗng. Hãy chọn vật liệu phù hợp với đặc điểm hình học.

Tránh sử dụng PCM ngoài dải nhiệt độ tin cậy

Nhiệt độ mối nối không phải là nhiệt độ bề mặt tiếp xúc

Một màn hình giám sát CPU có thể hiển thị 65°C trong khi bề mặt tiếp xúc phía bộ làm mát vẫn lạnh hơn. Cảm biến không bao phủ mọi điểm trên TIM. Bộ tản nhiệt lớn, môi trường xung quanh lạnh, tải thấp hoặc chu kỳ hoạt động ngắn có thể khiến vật liệu không chuyển pha hoàn toàn.

Vật liệu vẫn dẫn nhiệt, nhưng quá trình dàn trải có thể chưa hoàn tất và điện trở tiếp xúc có thể cao hơn mức dự kiến.

Đó là lý do tại sao nhiệt độ chuyển pha trong vật liệu nhiệt PCM phải được so sánh với biên dạng nhiệt độ giao diện đo được. Không chọn chỉ dựa trên nhiệt độ mối nối. Hãy đo tại vị trí phù hợp trên vỏ, tấm đế hoặc phía bộ làm mát, sau đó xác nhận toàn bộ quá trình kích hoạt.

Các thiết bị công suất thấp có thể cần TIM nhưng không bao giờ kích hoạt PCM có nhiệt độ chuyển pha cao. Một phép thử ngắn tại nhà máy cũng có thể gây ra vấn đề tương tự.

Mức tối đa dành riêng cho từng sản phẩm là một thông số bắt buộc

Nhiệt độ vận hành liên tục, các đỉnh nhiệt ngắn hạn, điều kiện phơi nhiễm khi lưu trữ và giới hạn lão hóa không thể thay thế cho nhau.

Các Würth Elektronik WE-PCM – hướng dẫn thiết kế cho biết nên tránh sử dụng sản phẩm cụ thể đó khi thiết bị không đạt đến nhiệt độ chuyển pha hoặc khi nhiệt độ vận hành vượt quá mức tối đa đã nêu 130°C. Con số 130°C đó thuộc về WE-PCM. Đây không phải là giới hạn áp dụng cho mọi vật liệu chuyển pha.

Các ứng dụng SiC nhiệt độ cao, thiết bị điện tử dưới nắp ca-pô và thiết bị xử lý cần dữ liệu riêng cho từng cấp vật liệu. Nếu không có PCM nào đáp ứng được cấu hình này, hãy đánh giá mỡ, gel, graphite hoặc kim loại TIM. Không được vận hành thiết bị ở nhiệt độ cao hơn chỉ để kích hoạt lớp giao diện nhiệt.

Tránh PCM nếu không có phương án cố định ổn định và khoảng áp suất an toàn

Độ dính giúp định vị; không giữ bộ tản nhiệt

Một preform có độ dính có thể giữ nguyên vị trí trong quá trình lắp ráp. Đây không phải là keo kết cấu. Phần cứng phải chịu tải giữ cố định, tải va đập và tải rung động.

Các Hướng dẫn TIM dành cho mô-đun công suất Wolfspeed Tài liệu này đề cập đến các đánh đổi riêng theo từng mô-đun về burn-in, phần cứng lắp đặt, chi phí, đường keo và tháo dỡ. Không nên sao chép quy trình sử dụng lò và bu-lông của tài liệu này cho một package khác.

Nếu thiết kế không có cơ cấu giữ cơ khí an toàn, PCM không phải là giải pháp. Hãy điều chỉnh thiết kế gá lắp hoặc đánh giá một hệ keo dán đạt yêu cầu khi thực sự cần liên kết cố định lâu dài.

Áp suất thấp, không đồng đều và quá cao đều có thể gây hỏng hóc

Áp suất quá thấp khiến bề mặt không được làm ướt hoàn toàn. Áp suất không đồng đều tạo ra dạng nêm và các điểm nóng. Áp suất quá cao có thể gây tràn vật liệu, làm cong vênh PCB, gây ứng suất lên mối hàn hoặc làm hỏng die.

Hãy hướng đến khoảng áp suất có thể lặp lại, không phải mô-men siết tối đa. Cần xem xét độ phẳng, dung sai, độ giãn nở nhiệt, sai lệch giữa các fastener và sự suy giảm tải theo thời gian.

BGA dễ hỏng, bo mạch mỏng và các cold plate thông dụng có thể không chịu được mức áp suất cần thiết cho cấu trúc PCM đã chọn. Gel mềm đôi khi có thể tạo tiếp xúc ở mức ứng suất thấp hơn. Đôi khi bộ làm mát cần thêm fastener hoặc khung cứng hơn. Vật liệu và cơ khí cần đạt được sự cân bằng.

Tránh PCM khi việc tháo lắp thường xuyên là điều bình thường

PCM sau khi đóng rắn đã thích ứng với hai bề mặt. Khi nhấc bộ tản nhiệt lên, vật liệu có thể bị tách, kéo giãn hoặc bám bụi bẩn. Ngay cả vật liệu trông còn nguyên vẹn cũng không còn độ phủ được kiểm soát.

Những đánh đổi thực tế khi gia công lại PCM và keo tản nhiệt bao gồm lực cần thiết để tháo, cặn vật liệu, thời gian làm sạch, vật liệu thay thế, đào tạo và rủi ro đối với các linh kiện dễ hư hỏng. “Có thể tháo rời” và “có thể tái sử dụng” không phải là cùng một cam kết.

Điều này quan trọng đối với các bệ thử và thiết bị có thể thay thế tại hiện trường. Nếu bộ tản nhiệt được tháo ra hằng tuần, việc dùng một miếng định hình mới mỗi lần sẽ trở nên bất tiện và tốn kém.

Mỡ tản nhiệt có thể phù hợp với quy trình vệ sinh và bôi lại đã được thiết lập tốt. Miếng đệm thông thường có thể phù hợp với khe hở lớn hơn có thể bảo trì. Màng graphite có thể được tái sử dụng trong một số mối ghép phẳng chịu áp lực cao, nhưng thường dẫn điện và nhạy cảm ở các mép. Sự đánh đổi này rất quan trọng, không phải chi tiết có thể xem nhẹ.

Hãy tính cả phụ tùng thay thế, việc vệ sinh, thời gian ngừng hoạt động, kiểm tra và nhiễm bẩn vào chi phí vòng đời. Một vật liệu giao diện nhiệt tốt vẫn có thể là lựa chọn thiết kế bảo trì kém.

Tránh dùng PCM chung chung khi TIM phải đảm nhiệm một công việc khác

Truyền nhiệt là một công việc. Cách điện, liên kết kết cấu, đệm giảm chấn và làm kín là những công việc khác. Không nên vô tình bắt PCM chung chung phải đảm nhiệm những công việc đó.

Một số PCM gia cường có đặc tính điện môi theo quy định. Cần đánh giá chính xác độ dày, lớp nền, các cạnh hở, khả năng chịu điện áp, nguy cơ bị cắt xuyên và độ tiếp xúc sau lão hóa.

Ngoài ra, hãy xem xét khoảng cách đường rò, khoảng cách điện, độ ẩm, mức độ nhiễm bẩn và toàn bộ hệ thống cách điện. Mẫu thử không thể chứng minh độ an toàn của cụm lắp ráp.

Keo dán dẫn nhiệt có thể giúp cố định chi tiết, nhưng đòi hỏi quá trình đóng rắn, đồng thời phát sinh ứng suất, lão hóa và gây khó khăn khi làm lại. Chỉ sử dụng khi thiết kế yêu cầu liên kết vĩnh viễn.

Tránh PCM khi quy trình sản xuất không thể kiểm soát được yếu tố này

PCM cho phép định lượng vật liệu nhất quán, nhưng có thể cần bế khuôn, dụng cụ, lớp lót, đồ gá, kiểm soát bảo quản, kích hoạt, kiểm tra và truy xuất nguồn gốc.

Các nguyên mẫu đa chủng loại cho thấy rõ nhược điểm này. Những thay đổi về hình học khiến bản vẽ phôi định hình chỉ có giá trị tạm thời. Một quy trình định lượng mỡ duy nhất có thể áp dụng cho nhiều hình dạng. Khi sản lượng ổn định, một PCM được bế khuôn có thể giúp giảm sai khác do người vận hành.

Không thể áp dụng chung câu trả lời có hoặc không về khả năng tự động hóa cho toàn bộ dòng sản phẩm. PCM có thể được cung cấp dưới dạng phôi định hình sẵn, cuộn, mảng, lớp phủ hoặc hợp chất có thể in. Cấp vật liệu và quy cách đóng gói phải phù hợp với thiết bị.

Công đoạn hoạt hóa có thể làm phát sinh nhu cầu về lò, thời gian lưu, đồ gá, năng lượng, sản phẩm dở dang và kiểm tra. Mọi thao tác sau hoạt hóa đã được phê duyệt phải được đưa vào hướng dẫn công việc và mô hình công suất.

So sánh PCM và mỡ tản nhiệt trong sản xuất hàng loạt nên sử dụng tổng chi phí áp dụng:

• vật liệu và chuyển đổi;
• thiết bị định lượng hoặc đặt vật liệu;
• nhân công và thời gian takt;
• năng lượng hoạt hóa và diện tích sàn;
• kiểm tra, phế phẩm và gia công lại;
• độ tin cậy và dịch vụ tại hiện trường.

Một tấm vật liệu giá rẻ có thể khiến quy trình trở nên đắt đỏ. Hãy tính chi phí cho mỗi cụm lắp ráp đạt yêu cầu.

Các ngưỡng loại trừ xuất hiện ở đâu trong sản phẩm thực tế

Nhãn phân loại ngành không quyết định TIM. Điều kiện tại bề mặt tiếp giáp mới là yếu tố quyết định. Một xe điện có thể sử dụng PCM bên dưới mô-đun biến tần và gel trên bo mạch điều khiển có chiều cao linh kiện không đồng đều.

Các dự án y tế, hàng không vũ trụ và quang học cần hồ sơ thi công chính xác. “Không chứa silicone” không đồng nghĩa với độ thoát khí thấp. “Không dẫn điện” không chứng minh khả năng cách ly.

Chọn giải pháp thay thế cho vấn đề mà PCM không thể giải quyết

Mỗi vật liệu thay thế đều kéo theo một rủi ro mới. Mục tiêu không phải là tìm một vật liệu không có điểm yếu, mà là lựa chọn những điểm yếu mà sản phẩm có thể kiểm soát.

Đừng vội chọn mức W/mK cao nhất. Hãy so sánh trở kháng ở độ dày và áp suất thực tế, cùng với độ an toàn, tính tương thích, độ lão hóa và dịch vụ hỗ trợ.

Mỡ tản nhiệt không phải là vật liệu chèn khe hở cỡ milimét. Than chì cần có giải pháp cách điện khi sử dụng gần mạch điện. Miếng đệm mềm có thể làm tăng nhiệt trở. Việc thay thế phải thực sự hợp lý.

Các trường hợp ranh giới cần thử nghiệm so sánh, không phải tranh luận

Thử nghiệm PCM, phương án thay thế phù hợp nhất và mẫu đối chứng hiện tại với cùng phần cứng, hệ thống làm mát, nguồn điện, điều kiện môi trường và số lượng mẫu.

Đối với PCM, ghi nhận kết quả trước và sau khi kích hoạt. Đối với mỡ hoặc gel, ghi lại lượng cấp phát và đường keo. Đối với miếng đệm, ghi lại độ dày, độ nén và lực.

ASTM D5470-17(2024) hỗ trợ đo truyền nhiệt và trở kháng trong điều kiện được kiểm soát. Phương pháp này không thể tái tạo mọi loại kết cấu đóng gói, bộ tản nhiệt, dung sai, rung động hoặc sự kiện bảo trì.

Hướng dẫn các tiêu chuẩn kiểm tra TIM phổ biến giúp phân biệt phạm vi áp dụng. Các phương pháp IEC 60068 và JESD bao quát các bối cảnh chu kỳ, rung động hoặc va đập. ISO 16750 có vai trò quan trọng trong các chương trình ô tô. ASTM E595 đề cập đến hiện tượng thoát khí trong chân không, trong khi UL 94 liên quan đến tính dễ cháy của polyme, không phải hiệu năng nhiệt.

Đo lường kết quả ở ba cấp độ:

• Bề mặt tiếp giáp: điện trở nhiệt, điểm nóng, độ phủ, đường keo và đặc tính điện môi;
• Quy trình: thời gian đặt, hoạt hóa, khuyết tật, kiểm tra, làm sạch và sửa chữa;
• Vòng đời: chu kỳ, rung động, độ ẩm, thoát khí, độ lưu giữ và tình trạng tháo dỡ.

Sử dụng lựa chọn và thử nghiệm vật liệu ở cấp ứng dụng để thiết lập giới hạn chấp nhận trước khi có kết quả. Hãy đưa vào các giá trị khe hở và áp suất tối thiểu, danh định và tối đa. Giá trị trung bình đạt yêu cầu có thể che khuất một tổ hợp dung sai bất lợi.

Nếu PCM đáp ứng các điều kiện đó và tốt hơn các lựa chọn thay thế, hãy tự tin sử dụng. Nếu không vượt qua một tiêu chí loại trừ, hãy sớm chuyển sang phương án khác. Kỹ thuật không chấm điểm cho việc cố ép một vật liệu ưa thích vào một mối nối không phù hợp.

Kết luận

Các kỹ sư nên tránh PCM khi các điều kiện về hình dạng, nhiệt độ, kẹp giữ, chức năng an toàn, bảo trì hoặc sản xuất không cho phép sử dụng. Điều đó không có nghĩa PCM là một TIM kém chất lượng. Điều đó chỉ có nghĩa đây là một giải pháp chuyên dụng.

Hãy bắt đầu từ bề mặt tiếp xúc, không phải tên vật liệu. Chọn một giải pháp thay thế có thể đáp ứng chức năng còn thiếu, sau đó thử nghiệm các rủi ro mới của giải pháp đó trong điều kiện thực tế. Nếu bề mặt tiếp xúc trông như một hẻm núi thì đừng mong một lớp màng mỏng có thể biến nó thành đường bằng phẳng.

Câu hỏi thường gặp về những trường hợp nên tránh sử dụng miếng đệm tản nhiệt PCM

Miếng đệm nhiệt PCM có phù hợp với mọi CPU hoặc GPU không?

Không. Đây là lựa chọn phù hợp cho bề mặt tiếp xúc mỏng, phẳng, được kẹp chặt và đạt đến dải nhiệt độ chuyển pha đã chọn. Không nên sử dụng khi bộ tản nhiệt bị nghiêng, khe hở quá lớn, áp lực không ổn định hoặc điều kiện vận hành bình thường không đủ để hoàn tất quá trình kích hoạt.

Điều gì xảy ra nếu miếng đệm PCM không bao giờ đạt đến nhiệt độ chuyển pha?

Vật liệu vẫn có thể dẫn nhiệt, nhưng có thể không thấm ướt bề mặt hoặc không tạo được lớp liên kết theo thiết kế. Nhiệt trở tiếp xúc có thể vẫn cao hơn và kém ổn định. Hãy chọn cấp vật liệu có nhiệt độ chuyển tiếp thấp hơn hoặc một TIM khác thay vì cố ý gia nhiệt thiết bị quá mức.

Miếng đệm tản nhiệt PCM có thể lấp đầy khe hở 0.5 mm hoặc lớn hơn không?

Đừng quyết định chỉ dựa trên một con số độ dày chung chung. Hầu hết các màng PCM mỏng được thiết kế cho các bề mặt ghép khít, không phải để lấp đầy các khe hở lớn. Nếu khe hở yêu cầu vượt quá phạm vi đã được xác minh của sản phẩm đã chọn, hãy xem xét đệm lấp khe có độ mềm phù hợp, gel hoặc bột nhão.

Có nên sử dụng PCM bên dưới VRAM, các VRM hoặc các linh kiện có chiều cao khác nhau không?

Thông thường không nên dùng một tấm mỏng duy nhất phủ lên tất cả các linh kiện. Sự chênh lệch chiều cao và độ cong vênh PCB có thể tạo ra các vùng không tiếp xúc. Miếng đệm khe hở thông thường, gel hoặc vật liệu dạng bột nhão thường phù hợp hơn với bề mặt không đồng đều đó. PCM vẫn có thể phù hợp cho một giao diện phẳng riêng biệt của bộ xử lý.

Miếng đệm tản nhiệt PCM có thể giữ bộ tản nhiệt mà không cần vít hoặc kẹp không?

Không. Độ dính bề mặt có thể giữ phôi định hình trong quá trình đặt, nhưng không phải là cơ chế cố định kết cấu. Hãy sử dụng vít, kẹp, lò xo, khung hoặc một cơ cấu khác đã được phê duyệt. Nếu cần liên kết vĩnh viễn, hãy đánh giá một loại keo dán dẫn nhiệt phù hợp và các giới hạn gia công lại của loại keo đó.

Miếng đệm tản nhiệt đổi pha (PCM thermal pads) có cách điện không?

Một số kết cấu gia cường có các đặc tính điện môi được quy định; một số khác thì không. Hãy xác minh chính xác vật liệu nền, khả năng chịu điện áp điện môi, độ dày, nguy cơ cắt xuyên, các cạnh hở và cụm lắp ráp sau lão hóa. Tuyệt đối không suy đoán khả năng cách điện an toàn chỉ từ các thuật ngữ “tấm dẫn nhiệt” hoặc “không dẫn điện”.”

Kỹ sư có nên tránh sử dụng PCM khi thiết bị thường xuyên cần làm lại không?

Thông thường là có. PCM sau khi được hoạt hóa có thể bám dính, bị rách hoặc để lại cặn khi nhấc bộ làm mát lên, và thường cần thay vật liệu mới. Hãy so sánh chi phí thay thế, công vệ sinh, thời gian dừng máy và nguy cơ nhiễm bẩn với mỡ tản nhiệt, tấm đệm hoặc màng graphite tương thích dễ bảo trì.

Có thể sử dụng PCM trong các ứng dụng ô tô hoặc điện tử công suất ở nhiệt độ cao không?

Có, khi đúng mác vật liệu đáp ứng các yêu cầu về vận hành liên tục, tải đỉnh, bảo quản, chu kỳ, độ rung và tuân thủ vật liệu. Không nên sử dụng khi thiếu các dữ liệu này hoặc điều kiện vận hành vượt quá giới hạn của vật liệu. Bằng chứng dành riêng cho sản phẩm và việc thẩm định OEM quan trọng hơn nhãn PCM.

Giải pháp thay thế tốt nhất khi PCM không phù hợp là gì?

Tùy thuộc vào tiêu chí không đạt. Sử dụng miếng đệm dẫn nhiệt cho khe hở xác định lớn hơn, gel cho các độ cao thay đổi, mỡ dẫn nhiệt cho mối ghép mỏng có thể bảo trì, graphite cho bề mặt tiếp xúc tương thích có thể tái sử dụng hoặc keo dán khi thực sự cần liên kết cố định.

Kỹ sư nên thử nghiệm một ứng dụng PCM ở ngưỡng giới hạn như thế nào?

So sánh PCM với giải pháp thay thế mạnh nhất trên phần cứng thực tế. Kiểm soát khe hở, áp suất, công suất, khả năng làm mát và số lượng mẫu. Đo trước và sau khi kích hoạt, sau đó tiến hành các thử nghiệm chu kỳ và cơ học phù hợp. Bao gồm thời gian quy trình, khả năng sửa chữa lại, đặc tính điện môi và tình trạng sau khi tháo dỡ.