Độ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt có thể được kiểm tra bằng các phương pháp trạng thái ổn định, phương pháp transient, hoặc các hệ thống kiểm tra TIM chuyên biệt theo ứng dụng. Đối với hầu hết các quyết định kỹ thuật, phép thử không chỉ nên đo giá trị W/m·K của vật liệu. Nó cũng phải kiểm soát độ dày lớp kết nối, áp suất, nhiệt độ, diện tích tiếp xúc, quá trình chuẩn bị mẫu và nhiệt trở qua bề mặt tiếp xúc thực tế.
Nói một cách đơn giản: thử nghiệm độ dẫn nhiệt chỉ hữu ích khi các điều kiện thử nghiệm khớp với cách mà vật liệu dẫn nhiệt (TIM) sẽ được sử dụng.
Đối với keo tản nhiệt, miếng đệm tản nhiệt, miếng đệm tản nhiệt PCM, đất nặn tản nhiệt, vật liệu lấp đầy khe hở và hợp chất đổ khuôn dẫn nhiệt, phương pháp kiểm tra tốt nhất phụ thuộc vào dạng vật liệu, độ dày, độ cứng, đặc tính dòng chảy, đặc tính đóng rắn và ứng dụng thực tế. Các kỹ sư nên coi độ dẫn nhiệt trên bảng thông số kỹ thuật là điểm khởi đầu, sau đó xác minh hiệu suất thông qua việc kiểm tra điện trở nhiệt hoặc trở kháng nhiệt trong các điều kiện lắp ráp thực tế.
<img src="”https://images.pexels.com/photos/34007241/pexels-photo-34007241.jpeg?auto=compress&cs=tinysrgb&w=600&h=400&fit=crop”" alt="”Điện tử" lab with oscilloscopes and engineers testing electronic systems” width="”600″" height="”400″">
Tại sao việc kiểm tra độ dẫn nhiệt lại quan trọng
Vật liệu tản nhiệt, thường được gọi là TIM, được sử dụng giữa một linh kiện sinh nhiệt và một bề mặt làm mát. Nguồn nhiệt có thể là CPU, GPU, mô-đun LED, chất bán dẫn công suất, linh kiện biến tần xe điện, tế bào pin, chip viễn thông hoặc thiết bị điều khiển công nghiệp. Bề mặt làm mát có thể là bộ tản nhiệt, tấm tản nhiệt, vỏ nhôm, khung máy hoặc hộp bảo vệ.
Công việc của TIM là thay thế các khoảng hở không khí bằng một đường dẫn dẫn nhiệt tốt hơn. Không khí có độ dẫn nhiệt rất thấp, vì vậy ngay cả các khoảng hở nhỏ ở mức vioscopic giữa các bề mặt rắn cũng có thể làm tăng nhiệt độ. TIM lấp đầy các khoảng hở đó và giúp tản nhiệt ra khỏi linh kiện.
Kiểm tra độ dẫn nhiệt rất quan trọng vì các kỹ sư cần biết liệu một vật liệu có thể chịu được tải trọng nhiệt của sản phẩm cuối cùng hay không. Nhưng việc kiểm tra có thể gây hiểu lầm nếu được thực hiện mà không có ngữ cảnh. Giá trị W/m·K cao không tự động đồng nghĩa với hiệu suất làm mát tốt hơn trong cụm lắp ráp cuối cùng.
Hiệu suất thực tế cũng phụ thuộc vào:
- Độ dày liên kết hóa học
- Áp suất tiếp xúc
- Độ nhám bề mặt
- Khu vực liên hệ
- Đặc tính làm ướt
- Khoảng trống và bọt khí
- Độ cứng hoặc độ nhớt của vật liệu
- Độ bền chu kỳ nhiệt
- Khả năng chống bơm đùn
- Khả năng chống khô hạn
- Cách điện điện
- Điều kiện gia công và đóng rắn
HakTak đã thảo luận về vấn đề rộng lớn hơn này trong Cách lựa chọn và kiểm tra độ dẫn nhiệt của keo tản nhiệt, đặc biệt là đối với việc lựa chọn keo tản nhiệt.
Độ dẫn nhiệt đo lường cái gì?
Độ dẫn nhiệt đo lường hiệu quả truyền nhiệt qua một vật liệu. Nó thường được ký hiệu bằng chữ k và được đo bằng đơn vị W/m·K.
Giá trị độ dẫn nhiệt cao hơn có nghĩa là nhiệt có thể truyền qua vật liệu dễ dàng hơn trong điều kiện thử nghiệm. Ví dụ, một vật liệu tản nhiệt (TIM) 6 W/m·K dẫn nhiệt tốt hơn một TIM 2 W/m·K khi cả hai được đo trong các điều kiện tương đương.
Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt là một tính chất của vật liệu khối. Nó không tự động mô tả toàn bộ bề mặt tiếp xúc giữa một con chip và một bộ tản nhiệt.
Đối với các TIM, các kỹ sư cũng nên xem xét:
- Điện trở nhiệt: mức độ bề mặt tiếp xúc cản trở dòng nhiệt
- Trở kháng nhiệt: điện trở chuẩn hóa theo diện tích qua bề mặt tiếp xúc
- Độ dày đường nối: độ dày của lớp TIM
- Điện trở tiếp xúc: điện trở gây ra bởi sự tiếp xúc bề mặt không hoàn hảo
- Áp lực lắp ráp: lực nén hoặc làm lan rộng vật liệu tản nhiệt (TIM)
Sự khác biệt này rất quan trọng vì hai vật liệu có cùng độ dẫn điện có thể mang lại hiệu suất rất khác nhau trong một thiết bị thực tế.
Độ dẫn nhiệt so với Nhiệt trở trong Thử nghiệm
Độ dẫn nhiệt và nhiệt trở có liên quan với nhau, nhưng chúng không giống nhau.
Độ dẫn nhiệt mô tả vật liệu. Nhiệt trở mô tả đường truyền nhiệt.
Đối với giao diện phẳng được đơn giản hóa:
R = t / (k × A)
Ở đâu:
- R là điện trở nhiệt
- đó là độ dày của vật liệu
- k là độ dẫn nhiệt
- A là diện tích tiếp xúc
Phương trình này cho thấy lý do tại sao việc chỉ kiểm tra thông số W/m·K có thể là chưa đầy đủ. Nếu một vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhưng tạo ra lớp keo dán dày, điện trở nhiệt cuối cùng vẫn có thể cao. Nếu một vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp hơn tạo ra lớp tiếp xúc mỏng hơn và được làm ướt tốt hơn, nó có thể tản nhiệt tốt hơn.
Đây là một lý do tại sao các kỹ sư ngày càng đánh giá trở kháng nhiệt và hiệu suất ở cấp độ ứng dụng, chứ không chỉ riêng độ dẫn nhiệt.
Các phương pháp kiểm tra TIM phổ biến
Không có phương pháp thử nghiệm duy nhất nào phù hợp với mọi vật liệu tản nhiệt. Phương pháp chính xác phụ thuộc vào loại vật liệu và yêu cầu kỹ thuật.
Các phương pháp kiểm thử phổ biến bao gồm:
- Thử nghiệm dòng nhiệt được bảo vệ ở trạng thái ổn định
- Kiểm tra TIM theo tiêu chuẩn ASTM D5470
- Phương pháp thử nghiệm nguồn mặt phẳng tạm thời
- Phân tích chớp laser
- Phương pháp đĩa nóng hoặc tấm nóng
- Kiểm tra nhiệt trở đặc thù ứng dụng
- Kiểm tra nhiệt độ cấp thiết bị
Mỗi phương pháp đều có điểm mạnh và hạn chế riêng. Một phương pháp hoạt động tốt đối với hợp chất đóng rắn có thể không lý tưởng cho keo tản nhiệt mềm. Một phương pháp phù hợp với tấm đệm phẳng có thể không phản ánh đúng cách keo tản nhiệt dạng dẻo (thermal putty) hoạt động trong một khe hở không đều.
Mục tiêu không chỉ là tạo ra một con số. Mục tiêu là tạo ra một con số có thể định hướng việc lựa chọn vật liệu.
Kiểm thử trạng thái ổn định
Kiểm tra trạng thái ổn định đo dòng nhiệt sau khi mẫu đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Một tải nhiệt được biết trước được áp dụng ở một bên, và độ chênh lệch nhiệt độ qua mẫu được đo đạc.
Ý tưởng cơ bản rất đơn giản:
- Áp dụng nhiệt vào một mặt của vật liệu.
- Lấy nhiệt ra từ mặt bên kia thông qua một khối làm mát được kiểm soát.
- Đợi cho đến khi nhiệt độ ổn định.
- Đo dòng nhiệt và chênh lệch nhiệt độ.
- Tính toán độ dẫn nhiệt hoặc nhiệt trở.
Các phương pháp trạng thái ổn định được sử dụng rộng rãi vì chúng có thể mang lại kết quả đáng tin cậy cho các mẫu phẳng trong các điều kiện được kiểm soát. Chúng đặc biệt hữu ích cho đệm nhiệt, mỡ tản nhiệt, vật liệu chuyển pha và các vật liệu dẫn nhiệt giao diện (TIM) khác được đặt giữa hai khối kim loại.
Hạn chế là thời gian. Các thử nghiệm trạng thái ổn định có thể mất nhiều thời gian hơn vì hệ thống phải đạt đến trạng thái cân bằng. Chúng cũng đòi hỏi sự kiểm soát cẩn thận về sự thất thoát nhiệt, áp suất, độ dày mẫu và bề mặt tiếp xúc.
Thử nghiệm TIM theo phong cách ASTM D5470
ASTM D5470 là một trong những phương pháp được tham khảo phổ biến nhất để kiểm tra các đặc tính truyền nhiệt của vật liệu dẫn nhiệt mỏng. Trong thực tế, nhiều thiết bị kiểm tra vật liệu dẫn nhiệt giao diện (TIM) sử dụng khái niệm dòng nhiệt có bảo vệ tương tự: vật liệu được đặt giữa hai thanh đo, nhiệt chảy qua chồng vật liệu và nhiệt độ được đo để xác định điện trở nhiệt.
Đối với việc lựa chọn vật liệu dẫn nhiệt (TIM), loại thử nghiệm này rất có giá trị vì nó có thể đánh giá vật liệu trong các điều kiện áp suất và độ dày xác định.
Nó thường được sử dụng cho:
- Keo tản nhiệt
- Keo tản nhiệt
- Miếng tản nhiệt
- Vật liệu chuyển pha
- Tấm đệm lấp đầy khoảng trống
- Màng dẫn nhiệt mỏng
Các biến chính bao gồm:
- Độ dày mẫu
- Áp lực kẹp
- Độ nhám bề mặt tiếp xúc
- Nhiệt độ thử nghiệm
- Dòng nhiệt
- Khu vực mẫu
- Điều hòa trước khi đo
Đối với vật liệu giao diện nhiệt (TIM) mềm, việc kiểm soát áp suất đặc biệt quan trọng. Keo tản nhiệt có thể lan mỏng hơn dưới áp lực. Miếng đệm tản nhiệt có thể bị nén lại. Miếng đệm thay đổi pha (PCM) có thể mềm đi sau khi đạt đến nhiệt độ chuyển pha của nó. Nếu thử nghiệm không phản ánh đúng áp suất ứng dụng thực tế, kết quả có thể không dự đoán được hiệu suất của sản phẩm.
Các phương pháp thử nghiệm quá độ
Các phương pháp quá độ đo lường tốc độ nhiệt truyền qua vật liệu theo thời gian. Thay vì chờ đợi đạt đến trạng thái ổn định hoàn toàn, phép thử áp dụng một xung nhiệt hoặc tín hiệu nhiệt và đo lường phản ứng nhiệt độ.
Các phương thức tạm thời phổ biến bao gồm:
- Phương pháp nguồn phẳng tạm thời
- Phương pháp đĩa nóng
- Nguồn đường truyền tạm thời
- Phân tích chớp laser
Các phương pháp này có thể nhanh hơn thử nghiệm trạng thái ổn định và hữu ích cho nhiều chất rắn, chất lỏng, chất nhão và vật liệu đã đóng rắn.
Tuy nhiên, các phương pháp quá độ có thể nhạy cảm với việc chuẩn bị mẫu, chất lượng tiếp xúc, vị trí đặt cảm biến và cấu trúc vật liệu. Đối với vật liệu dẫn nhiệt mềm hoặc dễ nén, giá trị đo được có thể không đại diện cho lớp tiếp xúc cuối cùng trừ khi áp suất và độ dày được kiểm soát.
Phân tích chớp laser thường được sử dụng cho các vật liệu đặc và hợp chất đã đóng rắn. Phương pháp này đo độ khuếch tán nhiệt, có thể kết hợp với mật độ và nhiệt dung riêng để tính toán độ dẫn nhiệt. Điều này có thể hữu ích cho các hợp chất bịt kín dẫn nhiệt sau khi đóng rắn, nhưng nó có thể không thể hiện được hành vi tiếp xúc bề mặt của mỡ tản nhiệt hoặc đệm tản nhiệt.
HakTak's Hướng dẫn về Hợp chất đổ khuôn dẫn nhiệt trong điện tử giải thích lý do tại sao các lớp đóng gói đã đóng rắn có các vấn đề kiểm tra khác nhau so với các lớp vật liệu tản nhiệt (TIM) mỏng.
Kiểm tra keo tản nhiệt
Keo tản nhiệt là một trong những loại vật liệu dẫn nhiệt nhạy cảm nhất với cách thức bôi. Nó có thể hoạt động rất tốt khi được bôi thành một lớp mỏng, đều, nhưng những thay đổi nhỏ trong phương pháp bôi có thể làm thay đổi kết quả.
Khi kiểm tra keo tản nhiệt, các kỹ sư nên kiểm soát:
- Số tiền đã áp dụng
- Phương pháp rải
- Độ dày liên kết hóa học
- Áp suất
- Độ sạch bề mặt
- Nhiệt độ thử nghiệm
- Sự hình thành bọt khí
- Điều kiện bảo quản nguyên vật liệu
- Lão hóa hoặc điều kiện hóa trước
Quá nhiều mỡ tản nhiệt sẽ làm tăng độ dày và điện trở nhiệt. Quá ít mỡ sẽ tạo ra các khoảng trống. Việc thoa không đều sẽ tạo ra các điểm nóng.
Để biết hướng dẫn ứng dụng thực tế, hãy xem bài viết của HakTak: Mẹo bôi keo tản nhiệt và cách thức hoạt động của nó.
Điều kiện bảo quản cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra. Nếu một loại nhão đã bị tách lớp, khô đi hoặc tiếp xúc với các điều kiện bảo quản kém, nó có thể không phản ánh đúng hiệu suất sản phẩm bình thường. HakTak đề cập đến vấn đề này trong Cách bảo quản keo tản nhiệt không dùng đến đúng cách.
Kiểm tra miếng đệm tản nhiệt
Miếng tản nhiệt dễ xử lý hơn keo tản nhiệt, nhưng chúng vẫn đòi hỏi phải thử nghiệm cẩn thận. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào độ dày, độ cứng, độ nén và chất lượng tiếp xúc.
Khi kiểm tra miếng đệm tản nhiệt (thermal pad), các kỹ sư nên xác định:
- Chiều dày danh định
- Tỷ lệ nén
- Độ cứng Shore
- Độ dính bề mặt
- Áp suất tiếp xúc
- Hình bế khuôn
- Cách điện điện
- Hành vi chu nhiệt
Miếng đệm có độ dẫn nhiệt cao có thể hoạt động không hiệu quả nếu quá dày hoặc quá cứng đối với áp lực có sẵn. Miếng đệm mềm hơn, có độ dẫn nhiệt thấp hơn có thể tạo ra tiếp xúc tốt hơn và trở kháng nhiệt thực tế thấp hơn.
Miếng đệm tản nhiệt nên được kiểm tra ở cùng mức độ nén dự kiến trong sản phẩm cuối cùng. Kiểm tra ở áp suất cao có thể tạo ra kết quả ấn tượng nhưng không thể đạt được trong một cụm lắp ráp điện tử tinh vi.
Kiểm tra Tấm tản nhiệt PCM
Vật liệu chuyển pha đòi hỏi sự chú ý đặc biệt vì hành vi của chúng thay đổi theo nhiệt độ.
Miếng đệm nhiệt PCM có thể ở dạng rắn hoặc bán rắn ở nhiệt độ phòng. Tại nhiệt độ kích hoạt, nó mềm ra và làm ướt bề mặt tiếp xúc hiệu quả hơn. Điều này có thể làm giảm điện trở tiếp xúc và cải thiện hiệu suất tản nhiệt.
Khi thử nghiệm vật liệu PCM, các kỹ sư nên cân nhắc:
- Nhiệt độ chuyển pha
- Quy trình làm nóng trước hoặc kích hoạt
- Áp suất trong quá trình kích hoạt
- Hành vi làm mát sau khi kích hoạt
- Gia công lại sau khi chu kỳ nhiệt
- Độ dày sau khi chuyển pha
- Khả năng tương thích bề mặt
Nếu một PCM được kiểm tra dưới nhiệt độ kích hoạt của nó, kết quả có thể không phản ánh đúng hiệu suất hoạt động thực tế. Nếu nó được kiểm tra sau khi kích hoạt nhưng không có áp suất thực tế, kết quả vẫn có thể gây hiểu lầm.
HakTak giải thích nguyên lý hoạt động trong Giải thích về Miếng đệm nhiệt PCM: Cách vật liệu chuyển pha cải thiện việc quản lý nhiệt.
<img src="”https://images.pexels.com/photos/34054501/pexels-photo-34054501.jpeg?auto=compress&cs=tinysrgb&w=600&h=400&fit=crop”" alt="”Kỹ sư" inspecting a circuit board during electronics testing” width="”600″" height="”400″">
Kiểm tra Keo tản nhiệt dạng dẻo và Vật liệu lấp đầy khoảng trống
Keo tản nhiệt dạng bột nhão (thermal putty) và vật liệu lấp đầy khe hở thường được sử dụng cho các bề mặt không bằng phẳng, khe hở lớn và các linh kiện có độ cao khác nhau. Việc kiểm tra chúng giống như một tấm phẳng mỏng có thể không phản ánh đúng ưu điểm thực tế của chúng.
Các biến kiểm tra quan trọng bao gồm:
- Kích thước khoảng cách
- Lực nén
- Sự dịch chuyển vật liệu
- Độ giữ dáng
- Độ kháng sụt
- Thể tích phân phối
- Độ phủ bề mặt
- Bơm xả sau khi chạy chu trình
- Độ ổn định rung
Đối với vật liệu trét và điền khe hở, khả năng thích ứng hình dạng có thể quan trọng hơn giá trị W/m·K cao. Một vật liệu có độ dẫn nhiệt trung bình có thể hoạt động tốt nếu nó lấp đầy các khoảng trống không đều và loại bỏ các túi khí.
Các kỹ sư nên thử nghiệm các vật liệu này trong một cụm lắp ráp mang tính đại diện bất cứ khi nào có thể. Kiểm tra độ dẫn điện dạng tấm phẳng rất hữu ích, nhưng nó có thể không cho thấy vật liệu ứng xử như thế nào xung quanh các linh kiện có chiều cao khác nhau.
Kiểm thử Hợp chất Đổ khuôn Dẫn nhiệt
Hợp chất đổ khuôn dẫn nhiệt khác với các vật liệu tản nhiệt (TIM) truyền thống. Chúng thường được phân phối dưới dạng chất lỏng sau đó được đóng rắn thành chất bọc dạng rắn hoặc đàn hồi. Chúng cung cấp khả năng truyền nhiệt, cách điện, bảo vệ môi trường và hỗ trợ cơ học.
Các mối quan tâm về kiểm thử bao gồm:
- Tỷ lệ pha trộn
- Thời gian sống của hỗn hợp
- Độ nhớt
- Khử khí
- Nhiệt độ lưu hóa
- Thời gian đóng rắn
- Sự lắng đọng chất độn
- Kiểm soát bọt khí
- Độ cứng sau khi đóng rắn
- Chu kỳ nhiệt
- Khả năng chống ẩm
Đối với các hợp chất bầu mạch đã đóng rắn, việc kiểm tra có thể sử dụng các phương pháp quá độ, phương pháp dòng nhiệt có bảo vệ, hoặc phân tích chớp laser tùy thuộc vào dạng mẫu. Nhưng các kỹ sư cũng nên kiểm tra toàn bộ cụm lắp ráp được đổ bầu vì các khoảng trống, việc lấp đầy không hoàn toàn và chất lượng đóng rắn ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình truyền nhiệt.
Trong các ứng dụng đổ khuôn bảo vệ, việc kiểm soát bọt khí là vô cùng quan trọng. Bọt khí làm giảm độ dẫn nhiệt và cũng có thể làm suy yếu khả năng cách điện.
Chuẩn bị mẫu: Bước bị đánh giá thấp nhất
Nhiều sai số trong quá trình kiểm tra độ dẫn nhiệt xuất phát từ việc chuẩn bị mẫu kém.
Trước khi kiểm thử, các kỹ sư cần xác định:
- Kích thước mẫu
- Độ dày mẫu
- Tình trạng bề mặt
- Thời gian chuẩn bị
- Môi trường lưu trữ
- Quy trình trộn
- Phương pháp khử khí
- Lịch trình chữa trị
- Áp suất nén
- Quy trình vệ sinh
Đối với vật liệu hai thành phần, tỷ lệ trộn không chính xác có thể gây ra hiện tượng đóng rắn không hoàn toàn và kết quả không chính xác. Đối với mỡ, không khí bị kẹt hoặc sự phân bố không đều có thể làm thay đổi trở kháng đo được. Đối với đệm, nếp nhăn, bụi hoặc lực nén không đồng đều có thể làm sai lệch kết quả.
Việc thử nghiệm phải có khả năng lặp lại. Nếu ba mẫu tạo ra các kết quả khác nhau rõ rệt, vấn đề có thể nằm ở khâu chuẩn bị mẫu hơn là hiệu suất của vật liệu.
Kiểm soát áp suất và độ dày đường keo
Áp suất và độ dày đường keo là hai trong số những biến quan trọng nhất trong quá trình kiểm tra TIM.
Keo tản nhiệt có thể có trở kháng thấp ở áp suất cao vì nó lan ra thành một lớp rất mỏng. Tấm đệm tản nhiệt có thể mang lại hiệu suất tốt hơn khi nén cao hơn vì tiếp xúc được cải thiện. Vật liệu trám khe (putty) có thể cần đủ áp suất để lấp đầy các khoảng trống không đều, nhưng quá nhiều áp suất có thể làm vật liệu bị tràn ra khỏi bề mặt tiếp xúc.
Các kỹ sư nên ghi lại:
- Áp lực được áp dụng
- Chiều dày mẫu ban đầu
- Độ dày đường liên kết cuối cùng
- Tỷ lệ nén
- Khu vực liên hệ
- Nhiệt độ thử nghiệm
Không có thông tin này, giá trị độ dẫn điện rất khó giải thích.
Đây là điểm mà nhiều sự so sánh trong bảng thông số kỹ thuật thường sai sót. Hai vật liệu có thể được thử nghiệm dưới các áp suất hoặc độ dày khác nhau, khiến cho các giá trị W/m·K khó có thể so sánh trực tiếp với nhau.
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ
Độ dẫn nhiệt có thể thay đổi theo nhiệt độ. Một số vật liệu vẫn ổn định trong một dải nhiệt độ rộng. Những vật liệu khác thay đổi do hiện tượng mềm hóa, đóng rắn, chuyển pha, sự di chuyển của chất độn, hoặc hành vi của polymer nền.
Nhiệt độ đặc biệt quan trọng đối với:
- Miếng tản nhiệt đổi pha
- Mỡ silicone
- Hợp chất đổ khuôn đã đóng rắn
- Keo chịu nhiệt
- Vật liệu tương thích với chân không
- Điện tử ô tô
- Điện tử hàng không vũ trụ
Nếu thiết bị cuối cùng hoạt động ở 100°C, việc chỉ kiểm tra ở nhiệt độ phòng có thể là chưa đủ. Các kỹ sư nên kiểm tra trên toàn bộ dải hoạt động dự kiến, đặc biệt là đối với các sản phẩm có độ tin cậy cao.
Đối với hệ thống chân dung hoặc áp suất thấp, sự thoát khí và độ bay hơi cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất lâu dài. Bài viết của HakTak Keo tản nhiệt có bay hơi trong chân không không? Hiểu về sự thoát khí và hiệu suất trong môi trường áp suất thấp giải thích lý do tại sao độ ổn định của công thức lại quan trọng trong các môi trường này.
<img src="”https://images.pexels.com/photos/32391498/pexels-photo-32391498.jpeg?auto=compress&cs=tinysrgb&w=600&h=400&fit=crop”" alt="”Kỹ thuật viên" examining a circuit board during electronics inspection” width="”600″" height="”400″">
Cách đọc kết quả xét nghiệm
Khi xem xét kết quả kiểm tra, các kỹ sư nên tránh chỉ nhìn vào giá trị tiêu đề W/m·K.
Một báo cáo thử nghiệm hữu ích nên bao gồm:
- Phương thức kiểm thử
- Loại mẫu
- Độ dày mẫu
- Khu vực liên hệ
- Áp lực được áp dụng
- Nhiệt độ thử nghiệm
- Số lượng mẫu
- Giá trị trung bình
- Độ lệch chuẩn
- Xử lý bề mặt
- Lịch sử điều hòa hoặc lão hóa
- Độ bất định đo lường
Nếu một báo cáo chỉ liệt kê độ dẫn nhiệt mà không có điều kiện thử nghiệm, thì nó có thể không đủ cho việc lựa chọn mang tính kỹ thuật nghiêm ngặt.
Các kỹ sư cũng nên hỏi xem kết quả là độ dẫn điện khối, độ dẫn điện xuyên mặt, độ dẫn điện trong mặt, điện trở nhiệt hay tổng trở nhiệt. Chúng không thể thay thế cho nhau.
Những lỗi phổ biến khi kiểm thử
Sai lầm đầu tiên là so sánh các giá trị kiểm tra từ các phương pháp khác nhau như thể chúng tương đương nhau. Các phương pháp khác nhau có thể tạo ra các kết quả khác nhau, đặc biệt là đối với các vật liệu tản nhiệt (TIM) mềm hoặc có thể nén được.
Sai lầm thứ hai là bỏ qua áp suất. Nhiều vật liệu giao diện nhiệt (TIM) hoạt động khác nhau ở các mức độ nén khác nhau.
Sai lầm thứ ba là bỏ qua độ dày của đường keo. Độ dày có thể chiếm ưu thế đối với điện trở nhiệt.
Sai lầm thứ tư là kiểm tra vật liệu PCM dưới nhiệt độ kích hoạt.
Sai lầm thứ năm là không kiểm soát việc chuẩn bị mẫu. Bọt khí, trộn kém, nhiễm bẩn và trải không đều đều có thể làm thay đổi kết quả.
Sai lầm thứ sáu là chỉ dựa vào độ dẫn điện trong phòng thí nghiệm mà bỏ qua việc xác thực ở cấp độ thiết bị.
Sai lầm thứ bảy là không kiểm tra sau khi gia nhiệt, chu nhiệt hoặc tiếp xúc với môi trường.
Quy trình kiểm thử TIM thực tế
Đối với hầu hết các kỹ sư, một quy trình làm việc thực tế sẽ như thế này:
- Xác định mục tiêu nhiệt, bao gồm tải nhiệt và độ tăng nhiệt độ cho phép.
- Xác định hình học bề mặt tiếp xúc, bao gồm kích thước khe hở, diện tích tiếp xúc và tình trạng bề mặt.
- Chọn các ứng dụng quản lý nhiệt (TIM) tiềm năng dựa trên loại vật liệu và dải độ dẫn điện.
- Xem xét các phương pháp và điều kiện kiểm tra trong bảng thông số kỹ thuật.
- Kiểm tra điện trở nhiệt hoặc trở kháng dưới áp suất và độ dày thực tế.
- Chạy thử nghiệm ở cấp độ ứng dụng trong cụm lắp ráp thực tế.
- Đánh giá hiện tượng lão hóa, chu kỳ nhiệt, bơm nhiệt và hành vi làm lại.
- Xác nhận tính lặp lại của quá trình sản xuất trước khi phê duyệt sản xuất.
Quá trình này chậm hơn việc chọn vật liệu có chỉ số W/m·K cao nhất, nhưng nó ít tạo ra những bất ngờ hơn trong quá trình sản xuất.
Góc nhìn HakTak
Tại HakTak, kiểm tra độ dẫn nhiệt được xem là một phần của quá trình xác thực vật liệu, chứ không phải là toàn bộ quyết định. TIM tốt nhất không phải lúc nào cũng là vật liệu có chỉ số W/m·K cao nhất. Đó là vật liệu mang lại hiệu suất nhiệt ổn định trong cụm lắp ráp cuối cùng.
Đối với keo tản nhiệt, điều đó có nghĩa là kiểm tra độ dày lớp bôi, độ phủ ướt, độ ổn định khi lưu trữ và khả năng chống chảy trào. Đối với đệm tản nhiệt, điều đó có nghĩa là kiểm tra độ nén, độ cứng, độ cách điện và chất lượng tiếp xúc. Đối với đệm tản nhiệt PCM, điều đó có nghĩa là kiểm tra hành vi kích hoạt và chu kỳ nhiệt. Đối với keo tản nhiệt dạng bột nhão (putty) và chất lấp đầy khoảng trống, điều đó có nghĩa là kiểm tra hiệu suất lấp đầy khoảng trống theo hình học thực tế. Đối với hợp chất bọc mạch (potting compounds), điều đó có nghĩa là kiểm tra cả độ dẫn điện của vật liệu đã đóng rắn và khả năng đóng gói không có bọt khí.
Khi thảo luận về một dự án kiểm tra TIM với nhà cung cấp, các kỹ sư nên cung cấp:
- Loại vật liệu
- Nguồn nhiệt và công suất
- Khu vực liên hệ
- Kích thước khe hở và dung sai
- Độ dày đường liên kết trong công thức cấu trúc
- Áp suất khả dụng
- Dải nhiệt độ hoạt động
- Yêu cầu cách điện điện
- Tiếp xúc với môi trường
- Phương pháp lắp ráp
- Yêu cầu độ tin cậy
Với thông tin này, nhà cung cấp có thể đề xuất phương pháp thử nghiệm chính xác và một loại vật liệu phù hợp hơn.
Kết luận
Kiểm tra độ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt không chỉ là đo lường W/m·K. Mà đó là việc hiểu cách vật liệu này ứng xử trong một đường dẫn nhiệt thực tế.
Các phương pháp trạng thái ổn định, thử nghiệm vật liệu tản nhiệt (TIM) theo tiêu chuẩn ASTM D5470, các phương pháp quá độ và các thử nghiệm ở cấp độ ứng dụng đều có giá trị. Sự lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào loại TIM, dạng mẫu, cụm lắp ráp cuối cùng và yêu cầu kỹ thuật.
Đối với việc lựa chọn vật liệu tản nhiệt (TIM), các kỹ sư nên kiểm soát áp suất, độ dày lớp keo dán, nhiệt độ, tình trạng bề mặt, quá trình chuẩn bị mẫu và lịch sử lão hóa. Họ cũng nên đánh giá điện trở nhiệt hoặc trở kháng nhiệt, chứ không chỉ riêng độ dẫn nhiệt khối.
Một bài kiểm tra tốt không chỉ tạo ra một con số. Nó giúp dự đoán liệu vật liệu có giữ cho sản phẩm cuối cùng mát mẻ, ổn định và đáng tin cậy theo thời gian hay không.
Câu hỏi thường gặp
Làm thế nào để kiểm tra độ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt?
Độ dẫn nhiệt có thể được kiểm tra bằng các phương pháp dòng nhiệt có bảo vệ ở trạng thái ổn định, thiết bị kiểm tra vật liệu tản nhiệt (TIM) theo tiêu chuẩn ASTM D5470, các phương pháp nhất thời, phân tích chớp laser, hoặc kiểm tra nhiệt trở theo ứng dụng cụ thể.
ASTM D5470 dùng để làm gì?
ASTM D5470 thường được viện dẫn để đo lường các tính chất truyền nhiệt của vật liệu dẫn nhiệt mỏng, đặc biệt là các vật liệu TIM đặt giữa hai bề mặt được kiểm soát.
Độ dẫn nhiệt có giống với điện trở nhiệt không?
Không. Độ dẫn nhiệt mô tả mức độ dẫn nhiệt của một vật liệu. Nhiệt trở mô tả mức độ cản trở dòng nhiệt của toàn bộ đường truyền nhiệt.
Tại sao áp suất lại quan trọng trong việc kiểm tra TIM?
Áp suất ảnh hưởng đến độ dày đường keo, diện tích tiếp xúc, độ ẩm bề mặt và sự giảm thiểu bọt khí. Nhiều vật liệu tản nhiệt (TIM) hoạt động khác nhau ở các mức độ nén khác nhau.
Tại sao độ dày của đường liên kết lại quan trọng?
Lớp TIM dày hơn thường làm tăng nhiệt trở. Ngay cả một vật liệu có độ dẫn điện cao cũng có thể hoạt động kém nếu lớp keo quá dày.
Kết quả kiểm tra keo tản nhiệt có thể thay đổi theo phương pháp bôi không?
Đúng vậy. Lượng keo sử dụng, phương pháp tản đều, độ sạch bề mặt, bọt khí bị kẹt và áp lực đều có thể làm thay đổi hiệu suất nhiệt đo được.
Miếng đệm nhiệt PCM nên được kiểm tra như thế nào?
Miếng đệm nhiệt PCM nên được kiểm tra ở áp suất và nhiệt độ thực tế, bao gồm cả việc kích hoạt trên nhiệt độ chuyển pha của chúng khi điều đó phù hợp với ứng dụng cuối cùng.
Các kỹ sư có nên chỉ dựa vào độ dẫn điện trong bảng thông số kỹ thuật (datasheet) không?
Không. Độ dẫn điện trong bảng thông số kỹ thuật rất hữu ích cho việc sàng lọc, nhưng các kỹ sư nên xác minh điện trở nhiệt, trở kháng, độ tin cậy và hiệu suất ở cấp độ ứng dụng trước khi lựa chọn cuối cùng.
