Độ dẫn nhiệt của vật liệu giao diện nhiệt (TIM) có thể được kiểm tra bằng các phương pháp trạng thái ổn định, phương pháp trạng thái chuyển tiếp hoặc các hệ thống kiểm tra TIM chuyên dụng cho từng ứng dụng cụ thể. Đối với hầu hết các quyết định kỹ thuật, thử nghiệm không chỉ nên đo giá trị W/m·K của vật liệu. Thử nghiệm còn cần kiểm soát độ dày đường nối, áp suất, nhiệt độ, diện tích tiếp xúc, việc chuẩn bị mẫu và điện trở nhiệt tại giao diện thực tế.
Nói một cách đơn giản: thử nghiệm độ dẫn nhiệt chỉ có ý nghĩa khi các điều kiện thử nghiệm phù hợp với cách thức sử dụng chất dẫn nhiệt (TIM) trong thực tế.
Đối với mỡ tản nhiệt, miếng đệm tản nhiệt, miếng đệm tản nhiệt PCM, bột nhão tản nhiệt, chất lấp khe hở và hợp chất đúc dẫn nhiệt, phương pháp thử nghiệm tối ưu phụ thuộc vào dạng vật liệu, độ dày, độ cứng, tính chất chảy, tính chất đóng rắn và ứng dụng cuối cùng. Các kỹ sư nên xem thông số độ dẫn nhiệt trong bảng dữ liệu kỹ thuật như một điểm khởi đầu, sau đó xác minh hiệu suất thông qua thử nghiệm điện trở nhiệt hoặc trở kháng nhiệt trong 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="”Electronics" 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 giao diện nhiệt (thường được gọi là TIM) được sử dụng giữa một linh kiện sinh nhiệt và bề mặt tản nhiệt. Nguồn nhiệt có thể là CPU, GPU, mô-đun LED, bán dẫn công suất, linh kiện biến tần xe điện (EV), tế bào pin, chip viễn thông hoặc thiết bị điều khiển công nghiệp. Bề mặt tản nhiệt có thể là bộ tản nhiệt, tấm làm mát, vỏ nhôm, khung máy hoặc vỏ bảo vệ.
Nhiệm vụ của chất dẫn nhiệt (TIM) là thay thế các khe hở chứa không khí bằng một đường dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt cao hơn. Không khí có độ dẫn nhiệt rất thấp, do đó ngay cả những khe hở siêu nhỏ giữa các bề mặt rắn cũng có thể làm tăng nhiệt độ. Chất dẫn nhiệt (TIM) lấp đầy những khe hở đó và giúp dẫn nhiệt ra khỏi linh kiện.
Việc thử nghiệm độ dẫn nhiệt rất quan trọng vì các kỹ sư cần biết liệu một vật liệu có thể chịu được tải nhiệt của sản phẩm hoàn thiện hay không. Tuy nhiên, kết quả thử nghiệm có thể gây hiểu lầm nếu không được xem xét trong bối cảnh cụ thể. Giá trị W/m·K cao không tự động đồng nghĩa với hiệu suất làm mát tốt hơn trong sản phẩm hoàn thiện.
Hiệu suất thực tế còn phụ thuộc vào:
- Độ dày đường nối
- Áp lực tiếp xúc
- Độ nhám bề mặt
- Khu vực tiếp xúc
- Tính chất thấm ướt
- Khoảng trống và bọt khí
- Độ cứng hoặc độ nhớt của vật liệu
- Độ ổn định khi thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại
- Khả năng chống hút
- Khả năng chống khô
- Cách điện
- Điều kiện chế biến và ủ
HakTak đã thảo luận về vấn đề rộng hơn này trong Cách chọn và kiểm tra độ dẫn nhiệt của mỡ tản nhiệt, đặc biệt là trong việc lựa chọn keo tản nhiệt.
Độ dẫn nhiệt đo lường điều gì?
Độ dẫn nhiệt đo lường mức độ hiệu quả của quá trình truyền nhiệt qua một vật liệu. Thông thường, đại lượng này được ký hiệu bằng chữ k và đo bằng đơn vị W/m·K.
Giá trị độ dẫn nhiệt càng cao thì nhiệt càng dễ dàng truyền qua vật liệu trong điều kiện thử nghiệm. Ví dụ, một chất dẫn nhiệt (TIM) có độ dẫn nhiệt 6 W/m·K sẽ dẫn nhiệt tốt hơn so với một chất dẫn nhiệt (TIM) có độ dẫn nhiệt 2 W/m·K khi cả hai đều được đo trong các điều kiện tương đương.
Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt là một tính chất của vật liệu tổng thể. Tính chất này không tự động phản ánh toàn bộ giao diện giữa chip và bộ tản nhiệt.
Đối với TIMs, các kỹ sư cũng nên xem xét:
- Độ dẫn nhiệt: mức độ mà bề mặt tiếp xúc cản trở dòng nhiệt
- Trở kháng nhiệt: điện trở qua bề mặt tiếp xúc, được chuẩn hóa theo diện tích
- Độ dày đường nối: độ dày của lớp TIM
- Điện trở tiếp xúc: điện trở do tiếp xúc bề mặt không hoàn hảo gây ra
- Áp suất lắp ráp: lực làm nén hoặc làm giãn chất dẫn nhiệt (TIM)
Sự khác biệt này rất quan trọng bởi vì hai vật liệu có độ dẫn điện như nhau có thể hoạt động hoàn toàn khác nhau trong một thiết bị thực tế.
Độ dẫn nhiệt so với điện trở nhiệt trong thử nghiệm
Độ dẫn nhiệt và điện trở nhiệt có mối liên hệ với nhau, nhưng chúng không phải là một.
Độ dẫn nhiệt mô tả tính chất của vật liệu. Điện trở nhiệt mô tả đường truyền nhiệt.
Để có một giao diện phẳng đơn giản:
R = t / (k × A)
Địa điểm:
- R là điện trở nhiệt
- t là độ dày của vật liệu
- k là hệ số dẫn nhiệt
- A là diện tích tiếp xúc
Phương trình này cho thấy tại sao việc chỉ kiểm tra hệ số dẫn nhiệt (W/m·K) có thể chưa đầy đủ. Nếu một vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhưng tạo thành lớp liên kết dày, điện trở cuối cùng vẫn có thể cao. Ngược lại, nếu một vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp hơn tạo thành lớp giao diện mỏng hơn và được bám ướt tốt hơn, nó có thể làm mát hiệu quả hơn.
Đây là một trong những lý do khiến các kỹ sư ngày càng chú trọng 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 nào phù hợp với mọi loại vật liệu giao diện nhiệt. Phương pháp phù hợp phụ thuộc vào loại vật liệu và vấn đề kỹ thuật cụ thể.
Các phương pháp kiểm thử phổ biến bao gồm:
- Thử nghiệm dòng nhiệt được bảo vệ ở trạng thái ổn định
- Thử nghiệm TIM theo tiêu chuẩn ASTM D5470
- Thử nghiệm nguồn phẳng thoáng qua
- Phân tích tia laser chớp
- Phương pháp sử dụng đĩa nóng hoặc tấm gia nhiệt
- Thử nghiệm điện trở nhiệt dành riêng cho từng ứng dụng
- Kiểm tra nhiệt độ ở cấp độ thiết bị
Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Một phương pháp hiệu quả đối với hợp chất đúc đã đông cứng có thể không phù hợp với mỡ tản nhiệt dạng mềm. Một phương pháp hiệu quả đối với miếng đệm phẳng có thể không phản ánh đúng cách thức hoạt động của bột tản nhiệt trong khe hở không bằng phẳng.
Mục tiêu không chỉ đơn thuần là đưa ra một con số. Mục tiêu là đưa ra một con số có thể làm cơ sở để lựa chọn vật liệu.
Thử nghiệm ở trạng thái ổn định
Thử nghiệm trạng thái ổn định đo lưu lượng nhiệt sau khi mẫu đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Một tải nhiệt đã biết được tác dụng lên một mặt của mẫu, và chênh lệch nhiệt độ qua mẫu được đo.
Ý tưởng cơ bản rất đơn giản:
- Hãy gia nhiệt lên một mặt của vật liệu.
- Loại bỏ nhiệt từ phía còn lại thông qua một khối làm mát có kiểm soát.
- Hãy đợi cho đến khi nhiệt độ ổn định lại.
- Đo lưu lượng nhiệt và chênh lệch nhiệt độ.
- Tính toán hệ số dẫn nhiệt hoặc điện trở nhiệt.
Các phương pháp trạng thái ổn định được sử dụng rộng rãi vì chúng có thể mang lại kết quả đáng tin cậy đối với các mẫu phẳng trong điều kiện được kiểm soát. Chúng đặc biệt hữu ích đối với miếng đệm tản nhiệt, mỡ bôi trơn, vật liệu thay đổi pha và các chất dẫn nhiệt (TIM) khác được đặt giữa hai khối kim loại.
Hạn chế ở đây là thời gian. Các thử nghiệm ở trạng thái ổn định có thể mất nhiều thời gian hơn vì hệ thống phải đạt đến trạng thái cân bằng. Ngoài ra, các thử nghiệm này còn đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận các yếu tố như tổn thất nhiệt, áp suất, độ dày mẫu và bề mặt tiếp xúc.
Thử nghiệm TIM theo tiêu chuẩn ASTM D5470
Tiêu chuẩn ASTM D5470 là một trong những phương pháp được tham chiếu phổ biến nhất để thử nghiệm các tính chất truyền nhiệt của các vật liệu dẫn nhiệt mỏng. Trong thực tế, nhiều thiết bị thử nghiệm vật liệu dẫn nhiệt (TIM) sử dụng khái niệm dòng nhiệt được bảo vệ tương tự: vật liệu được đặt giữa hai thanh đo, dòng nhiệt truyền qua chồng vật liệu, và nhiệt độ được đo để xác định điện trở nhiệt.
Đối với việc lựa chọn TIM, loại thử nghiệm này rất hữu ích vì nó có thể đánh giá vật liệu trong các điều kiện áp suất và độ dày đã được xác định trước.
Nó thường được dùng để:
- Keo tản nhiệt
- Keo tản nhiệt
- Miếng đệm nhiệt
- Vật liệu thay đổi pha
- Miếng đệm lấp khe hở
- Màng mỏng dẫn nhiệt
Các biến số chính bao gồm:
- Độ dày mẫu
- Áp suất kẹp
- Độ nhám bề mặt tiếp xúc
- Nhiệt độ thử nghiệm
- Thông lượng nhiệt
- Khu vực mẫu
- Chuẩn bị trước khi đo
Đối với các vật liệu dẫn nhiệt (TIM) dạng mềm, việc kiểm soát áp suất đặc biệt quan trọng. Dầu dẫn nhiệt có thể bị lan mỏng hơn khi chịu áp suất. Miếng đệm dẫn nhiệt có thể bị nén lại. Miếng đệm PCM có thể bị mềm ra sau khi đạt đến nhiệt độ chuyển pha. Nếu thử nghiệm không phản ánh đúng áp suất thực tế trong quá trình sử dụng, kết quả có thể không phản ánh chính xác hiệu suất của sản phẩm.
Các phương pháp thử nghiệm trạng thái thoáng qua
Các phương pháp phân tích quá độ đo lường tốc độ truyền nhiệt qua vật liệu theo thời gian. Thay vì chờ đợi cho đến khi đạt trạng thái ổn định hoàn toàn, phương pháp thử nghiệm này áp dụng một xung nhiệt hoặc tín hiệu nhiệt và đo lường phản ứng nhiệt độ.
Các phương pháp tạm thời phổ biến bao gồm:
- Nguồn phẳng thoáng qua
- Phương pháp đĩa nóng
- Nguồn âm thanh tuyến tính thoáng qua
- Phân tích tia laser chớp
Các phương pháp này có thể nhanh hơn so với thử nghiệm ở trạng thái ổn định và rất hữu ích đối với nhiều loại chất rắn, chất lỏng, chất sệt và vật liệu đã đông cứng.
Tuy nhiên, các phương pháp đo tạm thời có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình chuẩn bị mẫu, chất lượng tiếp xúc, vị trí đặt cảm biến và cấu trúc vật liệu. Đối với các vật liệu TIM mềm hoặc có thể nén được, giá trị đo được có thể không phản ánh chính xác giao diện cuối cùng trừ khi áp suất và độ dày được kiểm soát.
Phương pháp phân tích tia laser chớp thường được sử dụng cho các vật liệu rắn và các hợp chất đã đóng rắn. Phương pháp này đo hệ số khuếch tán nhiệt, có thể kết hợp với mật độ và nhiệt dung riêng để tính toán hệ số dẫn nhiệt. Điều này có thể hữu ích đối với các hợp chất đúc có tính dẫn nhiệt sau khi đóng rắn, nhưng có thể không phản ánh chính xác hành vi tại giao diện của mỡ bôi trơn hoặc miếng đệm.
Của HakTak’s Hướng dẫn về các loại hợp chất đúc cách nhiệt trong lĩnh vực điện tử giải thích lý do tại sao các chất bao bọc đã qua xử lý lại có những vấn đề cần lưu ý trong quá trình thử nghiệm khác với các lớp TIM mỏng.
Thử nghiệm mỡ tản nhiệt và chất tản nhiệt dạng kem
Mỡ tản nhiệt là một trong những chất dẫn nhiệt (TIM) nhạy cảm nhất với phương pháp thi công. Chất này có thể phát huy hiệu quả rất tốt khi được bôi thành một lớp mỏng và đồng đều, nhưng chỉ cần những thay đổi nhỏ trong phương pháp thi công cũng có thể làm thay đổi kết quả.
Khi thử nghiệm keo tản nhiệt, các kỹ sư cần kiểm soát:
- Số tiền đã áp dụng
- Phương pháp bón phân
- Độ dày đường nối
- Áp lực
- Độ sạch bề mặt
- Nhiệt độ thử nghiệm
- Sự hình thành bọt khí
- Điều kiện bảo quản vật liệu
- Quá trình lão hóa hay quá trình tiền điều kiện
Quá nhiều mỡ bôi trơn sẽ làm tăng độ dày và điện trở nhiệt. Quá ít mỡ bôi trơn sẽ để lại các khoảng trống. Việc bôi trơn không đều sẽ gây ra các điểm nóng.
Để biết hướng dẫn ứng dụng thực tế, hãy tham khảo bài viết của HakTak: Mẹo bôi mỡ tản nhiệt và cách thức hoạt động của nó.
Điều kiện bảo quản cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm. Nếu hỗn hợp dạng sệt bị tách lớp, khô cứng hoặc bị bảo quản trong điều kiện không tốt, nó có thể không phản ánh đúng hiệu suất bình thường của sản phẩm. HakTak đã đề cập đến vấn đề này trong Cách bảo quản đúng cách keo tản nhiệt chưa sử dụng.
Kiểm tra miếng tản nhiệt
Miếng tản nhiệt dễ sử dụng hơn so với mỡ tản nhiệt, nhưng vẫn cần phải kiểm tra kỹ lưỡng. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào độ dày, độ cứng, độ nén và chất lượng tiếp xúc.
Khi thử nghiệm miếng tản nhiệt, các kỹ sư cần xác định:
- Độ dày danh nghĩa
- Tỷ lệ nén
- Độ cứng bề mặt
- Độ bám dính bề mặt
- Áp lực tiếp xúc
- Hình dạng được cắt khuôn
- Cách điện
- Hành vi trong quá trình thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại
Một miếng đệm có độ dẫn nhiệt cao có thể không hoạt động hiệu quả nếu nó quá dày hoặc quá cứng so với áp lực hiện có. Một miếng đệm mềm hơn và có độ dẫn nhiệt thấp hơn có thể tạo ra độ tiếp xúc tốt hơn và làm giảm trở kháng nhiệt thực tế.
Các miếng tản nhiệt nên được thử nghiệm trong cùng phạm vi nén như dự kiến trong sản phẩm cuối cùng. Việc thử nghiệm ở áp suất cao có thể cho kết quả ấn tượng, nhưng những kết quả này không thể đạt được trong một cụm linh kiện điện tử nhạy cảm.
Kiểm tra miếng tản nhiệt PCM
Các vật liệu thay đổi pha cần được chú ý đặc biệt vì tính chất của chúng thay đổi theo nhiệt độ.
Miếng tản nhiệt PCM có thể ở dạng rắn hoặc bán rắn ở nhiệt độ phòng. Khi đạt đến nhiệt độ kích hoạt, nó sẽ mềm ra và làm ẩm bề mặt tiếp xúc hiệu quả hơn. Điều này có thể giúp giảm điện trở tiếp xúc và cải thiện hiệu suất tản nhiệt.
Khi thử nghiệm các vật liệu PCM, các kỹ sư cần lưu ý những điều sau:
- 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
- Xử lý lại sau quá trình thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại
- Độ dày sau khi thay đổi pha
- Khả năng tương thích bề mặt
Nếu PCM được thử nghiệm ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kích hoạt, kết quả có thể không phản ánh đúng hiệu suất hoạt động thực tế. Nếu PCM được thử nghiệm sau khi đã 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 tản nhiệt PCM: Cách vật liệu thay đổi pha cải thiện khả năng 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="”Engineers" inspecting a circuit board during electronics testing” width="”600″" height="”400″">
Thử nghiệm chất trám nhiệt và chất trám khe hở
Keo nhiệt và chất trám khe thường được sử dụng cho các bề mặt không bằng phẳng, các khe hở lớn và các bộ phận có chiều cao khác nhau. Việc thử nghiệm chúng như một tấm mỏng phẳng có thể không phản ánh được ưu điểm thực sự của chúng.
Các biến thử nghiệm quan trọng bao gồm:
- Kích thước khe hở
- Lực nén
- Sự dịch chuyển vật liệu
- Khả năng giữ dáng
- Khả năng chống suy giảm
- Thể tích phân phối
- Diện tích bề mặt
- Xả nước sau khi đạp xe
- Độ ổn định khi rung động
Đối với các loại bột trét và chất trám khe, khả năng thích ứng có thể quan trọng hơn giá trị W/m·K cao. Một vật liệu có độ dẫn nhiệt ở mức vừa phải vẫn có thể phát huy hiệu quả tốt nếu nó lấp đầy được các khoảng trống không đều và loại bỏ các túi khí.
Các kỹ sư nên tiến hành thử nghiệm các vật liệu này trong một cụm lắp ráp tiêu biểu bất cứ khi nào có thể. Thử nghiệm độ dẫn điện trên tấm phẳng là hữu ích, nhưng nó có thể không phản ánh được cách vật liệu hoạt động khi nằm xung quanh các linh kiện có chiều cao khác nhau.
Thử nghiệm các hợp chất đúc cách nhiệt
Các hợp chất đúc cách nhiệt khác với các chất dẫn nhiệt (TIM) truyền thống. Chúng thường được bôi dưới dạng lỏng và sau đó được đóng rắn thành chất bao bọc rắn hoặc đàn hồi. Chúng đảm bảo khả năng truyền nhiệt, cách điện, bảo vệ khỏi tác động của môi trường và hỗ trợ cơ học.
Các vấn đề liên quan đến việc kiểm thử bao gồm:
- Tỷ lệ pha trộn
- Thời gian sử dụng
- Độ nhớt
- Khử khí
- Nhiệt độ đóng rắn
- Thời gian đông cứng
- Quá trình lắng đọng chất độn
- Kiểm soát bọt khí
- Độ cứng sau khi xử lý
- Chu kỳ nhiệt
- Khả năng chống ẩm
Đối với các hợp chất đúc đã đóng rắn, việc thử nghiệm có thể sử dụng các phương pháp tạm thời, phương pháp đo lưu lượng nhiệt có bảo vệ hoặc phân tích tia laser, tùy thuộc vào dạng mẫu. Tuy nhiên, các kỹ sư cũng nên tiến hành thử nghiệm cụm linh kiện đã được đúc vì các lỗ rỗng, việc đổ đầy không hoàn toàn và chất lượng quá trình đóng rắn đều ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình truyền nhiệt.
Trong các ứng dụng đúc khuôn, việc kiểm soát bọt khí đặc biệt 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 thử nghiệm độ dẫn nhiệt xuất phát từ việc chuẩn bị mẫu không đúng cách.
Trước khi tiến hành thử nghiệm, các kỹ sư cần xác định:
- Kích thước mẫu
- Độ dày mẫu
- Tình trạng bề mặt
- Thời gian ủ
- Môi trường lưu trữ
- Quy trình trộn
- Phương pháp khử khí
- Lịch trình điều trị
- Áp suất nén
- Quy trình vệ sinh
Đối với vật liệu hai thành phần, tỷ lệ trộn không chính xác có thể dẫn đến quá trình đóng rắn không hoàn toàn và kết quả không chính xác. Đối với mỡ bôi trơn, không khí bị kẹt bên trong hoặc việc bôi không đều có thể làm thay đổi giá trị trở kháng đo được. Đối với miếng đệm, nếp nhăn, bụi hoặc lực nén không đồng đều có thể làm sai lệch kết quả.
Việc thử nghiệm phải có thể lặp lại được. Nếu ba mẫu cho kết quả chênh lệch đáng kể, vấn đề có thể nằm ở khâu chuẩn bị mẫu chứ không phải do tính chất của vật liệu.
Kiểm soát áp suất và độ dày đường hàn
Áp suất và độ dày lớp liên kết là hai trong số các biến số quan trọng nhất trong thử nghiệm TIM.
Chất bôi trơn tản nhiệt có thể cho thấy điện trở thấp ở áp suất cao do nó lan tỏa thành một lớp rất mỏng. Miếng đệm tản nhiệt có thể cho hiệu suất tốt hơn ở mức nén cao hơn do độ tiếp xúc được cải thiện. Chất trám có thể cần áp suất đủ lớn để lấp đầy các khoảng trống không đều, nhưng áp suất quá cao có thể làm chất liệu bị ép ra khỏi bề mặt tiếp xúc.
Các kỹ sư cần ghi chép:
- Áp suất tác dụng
- Độ dày ban đầu của mẫu
- Độ dày cuối cùng của đường keo
- Tỷ lệ nén
- Khu vực tiếp xúc
- Nhiệt độ thử nghiệm
Nếu thiếu thông tin này, rất khó để giải thích giá trị độ dẫn điện.
Đây chính là điểm mà nhiều so sánh trong bảng thông số kỹ thuật thường mắc sai lầm. Hai loại vật liệu có thể được thử nghiệm ở các mức áp suất hoặc độ dày khác nhau, khiến 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 giữ được tính ổn định trong một dải nhiệt độ rộng. Một số vật liệu khác lại thay đổi do hiện tượng mềm hóa, đóng rắn, chuyển pha, sự dịch chuyển của chất độn hoặc tính chất của polymer nền.
Nhiệt độ đặc biệt quan trọng đối với:
- Miếng tản nhiệt PCM
- Mỡ silicone
- Hợp chất đúc đã đông cứng
- Keo chịu nhiệt độ cao
- Các vật liệu tương thích với môi trường chân không
- Điện tử ô tô
- Điện tử hàng không vũ trụ
Nếu thiết bị cuối cùng hoạt động ở nhiệt độ 100°C, việc chỉ thử nghiệm ở nhiệt độ phòng có thể là chưa đủ. Các kỹ sư nên tiến hành thử nghiệm trên toàn bộ dải nhiệt độ hoạt động dự kiến, đặc biệt là đối với các sản phẩm đòi hỏi độ tin cậy cao.
Đối với các hệ thống chân không hoặc áp suất thấp, hiện tượng thoát khí và tính bay hơi cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất lâu dài. Bài viết của HakTak Chất bôi trơn tản nhiệt có bay hơi trong môi trường chân không không? Hiểu về hiện tượng thoát khí và hiệu suất trong môi trường áp suất thấp giải thích tại sao tính ổn định của công thức lại quan trọng trong những 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="”Technician" examining a circuit board during electronics inspection” width="”600″" height="”400″">
Cách đọc kết quả xét nghiệm
Khi xem xét kết quả thử nghiệm, các kỹ sư nên tránh chỉ tập trung vào giá trị W/m·K được nêu ở tiêu đề.
Một báo cáo thử nghiệm hữu ích cần bao gồm:
- Phương pháp thử nghiệm
- Loại mẫu
- Độ dày mẫu
- Khu vực tiếp xúc
- Áp suất tác dụng
- Nhiệt độ thử nghiệm
- Số lượng mẫu
- Giá trị trung bình
- Độ lệch chuẩn
- Chuẩn bị bề mặt
- Lịch sử bảo quản hoặc quá trình lão hóa
- Độ không chắc chắn của phép đo
Nếu một báo cáo chỉ nêu ra hệ số dẫn nhiệt mà không kèm theo các điều kiện thử nghiệm, thì thông tin đó có thể chưa đủ để phục vụ cho việc lựa chọn kỹ thuật một cách nghiêm túc.
Các kỹ sư cũng nên xác định xem kết quả đó là độ dẫn điện thể tích, độ dẫn điện xuyên mặt phẳng, độ dẫn điện trong mặt phẳng, điện trở nhiệt hay trở kháng nhiệt. Các khái niệm này không thể dùng thay thế cho nhau.
Những sai lầm thường gặp trong quá trình kiểm thử
Sai lầm đầu tiên là so sánh các giá trị thử nghiệm thu được từ các phương pháp khác nhau như thể chúng tương đương nhau. Các phương pháp khác nhau có thể cho ra các kết quả khác nhau, đặc biệt là đối với các vật liệu TIM mềm hoặc có thể nén được.
Sai lầm thứ hai là bỏ qua yếu tố áp suất. Nhiều loại TIM có hiệu suất khác nhau tùy theo mức độ nén.
Sai lầm thứ ba là bỏ qua độ dày của đường nối. Độ dày có thể là yếu tố quyết định đến điện trở nhiệt.
Sai lầm thứ tư là tiến hành thử nghiệm vật liệu PCM ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kích hoạt.
Sai lầm thứ năm là không kiểm soát được quá trình chuẩn bị mẫu. Bọt khí, trộn không đều, nhiễm bẩn và việc phân bố không đồng đều đều có thể làm thay đổi kết quả.
Sai lầm thứ sáu là chỉ dựa vào chỉ số độ dẫn điện đo trong phòng thí nghiệm mà bỏ qua việc xác nhận ở cấp độ thiết bị.
Sai lầm thứ bảy là không tiến hành thử nghiệm sau quá trình lão hóa, chu kỳ nhiệt hoặc tiếp xúc với môi trường.
Quy trình kiểm thử TIM thực tiễn
Đối với hầu hết các nhóm kỹ thuật, quy trình làm việc thực tế thường diễn ra như sau:
- Xác định mục tiêu nhiệt, bao gồm tải nhiệt và mức tăng nhiệt độ cho phép.
- Xác định hình học của bề mặt tiếp xúc, bao gồm kích thước khe hở, diện tích tiếp xúc và tình trạng bề mặt.
- Chọn các TIM ứng viên dựa trên loại vật liệu và dải độ dẫn điện.
- Xem xét các phương pháp và điều kiện thử nghiệm trong bảng dữ liệu kỹ thuật.
- Kiểm tra điện trở nhiệt hoặc điện trở dưới điều kiện áp suất và độ dày thực tế.
- Chạy kiểm thử cấp ứng dụng trong bản lắp ráp thực tế.
- Đánh giá quá trình lão hóa, chu kỳ nhiệt, quá trình bơm hết chất lỏng và hành vi khi sửa chữa lại.
- Cần xác nhận tính lặp lại của quy trình sản xuất trước khi phê duyệt sản xuất.
Quy trình này tuy chậm hơn so với việc chọn vật liệu có hệ số W/m·K cao nhất, nhưng lại ít gây ra những bất ngờ trong quá trình sản xuất hơn.
Góc nhìn của HakTak
Tại HakTak, việc thử nghiệm độ dẫn nhiệt được xem là một phần của quy trình xác nhận vật liệu, chứ không phải là yếu tố quyết định duy nhất. Vật liệu TIM tốt nhất không phải lúc nào cũng là vật liệu có giá trị W/m·K cao nhất. Đó là vật liệu mang lại hiệu suất nhiệt ổn định trong sản phẩm lắp ráp hoàn chỉnh.
Đối với mỡ tản nhiệt, điều này bao gồm việc kiểm tra độ dày lớp phủ, khả năng thấm ướt, độ ổn định khi bảo quản và khả năng chống chảy ra khi bơm. Đối với miếng đệm tản nhiệt, điều này bao gồm việc kiểm tra độ nén, độ cứng, khả năng cách điện và chất lượng tiếp xúc. Đối với miếng đệm tản nhiệt PCM, điều này bao gồm việc kiểm tra hành vi kích hoạt và chu kỳ nhiệt. Đối với bột tản nhiệt và chất lấp khe, điều này bao gồm việc kiểm tra hiệu suất lấp đầy khe hở trong điều kiện hình học thực tế. Đối với hợp chất đúc, điều này bao gồm việc kiểm tra cả độ dẫn nhiệt của vật liệu sau khi đóng rắn và khả năng bao bọc không có lỗ rỗng.
Khi thảo luận về một dự án thử nghiệm TIM với nhà cung cấp, các kỹ sư cần cung cấp:
- Loại vật liệu
- Nguồn nhiệt và công suất
- Khu vực tiếp xúc
- Kích thước khe hở và dung sai
- Độ dày đường viền mục tiêu
- Áp suất có sẵn
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động
- Yêu cầu về cách điện
- Tiếp xúc với môi trường
- Phương pháp lắp ráp
- Yêu cầu về độ tin cậy
Dựa trên thông tin này, nhà cung cấp có thể đề xuất phương pháp thử nghiệm phù hợp và loại vật liệu thích hợp hơn.
Kết luận
Việc kiểm tra độ dẫn nhiệt của các vật liệu giao diện nhiệt không chỉ đơn thuần là đo đơn vị W/m·K. Mà còn là việc tìm hiểu cách vật liệu đó hoạt động trong một đường dẫn nhiệt thực tế.
Các phương pháp trạng thái ổn định, thử nghiệm TIM theo tiêu chuẩn ASTM D5470, các phương pháp trạng thái chuyển tiếp và các thử nghiệm ở cấp độ ứng dụng đều có giá trị riêng. Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào loại TIM, dạng mẫu, cấu trúc lắp ráp cuối cùng và vấn đề kỹ thuật cụ thể.
Để lựa chọn TIM, các kỹ sư cần kiểm soát áp suất, độ dày lớp liên kết, nhiệt độ, tình trạng bề mặt, quá trình chuẩn bị mẫu và lịch sử lão hóa. Họ cũng cần đánh giá điện trở nhiệt hoặc trở kháng nhiệt, chứ không chỉ độ dẫn điện thể tích.
Một bài kiểm tra tốt không chỉ đơn thuần là đưa ra một con số. Nó còn giúp dự đoán liệu vật liệu đó có thể duy trì cho sản phẩm cuối cùng luôn 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 các vật liệu giao diện nhiệt?
Độ dẫn nhiệt có thể được kiểm tra bằng các phương pháp đo lưu lượng nhiệt trong trạng thái ổn định có lớp cách nhiệt, máy thử TIM theo tiêu chuẩn ASTM D5470, các phương pháp đo trạng thái chuyển tiếp, phân tích bằng tia laser chớp hoặc các phương pháp kiểm tra điện trở nhiệt dành riêng cho từng ứng dụng cụ thể.
Tiêu chuẩn ASTM D5470 được sử dụng để làm gì?
Tiêu chuẩn ASTM D5470 thường được sử dụng để đo các đặc tính truyền nhiệt của các vật liệu dẫn nhiệt mỏng, đặc biệt là các chất dẫn nhiệt (TIM) được đặt giữa hai bề mặt được kiểm soát.
Độ dẫn nhiệt có giống với điện trở nhiệt không?
Không. Độ dẫn nhiệt mô tả khả năng dẫn nhiệt của một vật liệu. Điện trở nhiệt mô tả mức độ cản trở dòng nhiệt của toàn bộ đường dẫn nhiệt.
Tại sao áp suất lại quan trọng trong thử nghiệm TIM?
Áp suất ảnh hưởng đến độ dày đường kết dính, diện tích tiếp xúc, khả năng thấm ướt bề mặt và việc giảm các khoảng trống. Nhiều loại chất bôi trơn dẫn nhiệt (TIM) có hiệu suất khác nhau tùy theo mức độ nén.
Tại sao độ dày đường nối lại quan trọng?
Lớp TIM dày hơn thường làm tăng điện trở nhiệt. Ngay cả vật liệu có độ dẫn nhiệt cao cũng có thể hoạt động kém hiệu quả nếu lớp liên kết quá dày.
Kết quả kiểm tra keo tản nhiệt có thể thay đổi tùy theo phương pháp bôi không?
Đúng vậy. Lượng chất được bôi, phương pháp phết, độ sạch của bề mặt, không khí bị kẹt và áp suất đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt được đo.
Nên kiểm tra miếng tản nhiệt PCM như thế nào?
Các miếng đệm tản nhiệt PCM cần được thử nghiệm ở điều kiện áp suất và nhiệt độ thực tế, bao gồm cả quá trình kích hoạt ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha của chúng khi điều kiện này phù hợp với ứng dụng thực tế.
Các kỹ sư có nên chỉ dựa vào giá trị độ dẫn điện trong bảng thông số kỹ thuật hay không?
Không. Dữ liệu về độ dẫn điện trong bảng thông số kỹ thuật rất hữu ích cho việc sàng lọc, nhưng các kỹ sư cần kiểm tra kỹ lưỡng điện trở nhiệt, trở kháng, độ tin cậy và hiệu suất ở cấp độ ứng dụng trước khi đưa ra lựa chọn cuối cùng.
