Miếng lót tản nhiệt bằng silicone so với miếng lót tản nhiệt không chứa silicone: Sự khác biệt là gì?

Miếng đệm tản nhiệt silicon thường sử dụng chất đàn hồi silicon làm ma trận polymer. Các chất độn gốm dẫn nhiệt được phân tán trong ma trận đó. Silicon mang lại cho miếng đệm tính linh hoạt, khả năng chịu nhiệt, khả năng thích ứng với hình dạng và tính đàn hồi ổn định. Đây là nền vật liệu phổ biến nhất cho các miếng đệm tản nhiệt mềm.

Miếng tản nhiệt không chứa silicone sử dụng một hệ thống polymer khác, chẳng hạn như acrylic, urethane hoặc các loại elastomer độc quyền khác. Mục đích chính của nó là truyền nhiệt mà không đưa các thành phần gốc silicone vào cụm linh kiện. Các kỹ sư thường chỉ định sử dụng loại miếng tản nhiệt này gần các bộ phận quang học, điểm tiếp xúc điện, cảm biến, thiết bị lưu trữ, quy trình phủ bề mặt hoặc các khu vực nhạy cảm với silicone khác.

Không có loại nào được coi là tốt hơn một cách tuyệt đối. Miếng đệm silicon thường mang lại sự kết hợp toàn diện nhất giữa độ mềm, các tùy chọn độ dày, hiệu suất tản nhiệt và khả năng chịu nhiệt. Miếng đệm không chứa silicone là lựa chọn phù hợp khi hiện tượng di chuyển dầu silicone, sự phát tán của siloxan bay hơi, ô nhiễm bề mặt hoặc khả năng tương thích với các công đoạn xử lý tiếp theo gây ra rủi ro thực sự. Quyết định cuối cùng nên dựa trên các thông số đã được kiểm nghiệm như điện trở nhiệt, lực nén, môi trường hoạt động, yêu cầu điện và hiệu suất lão hóa, thay vì chỉ dựa vào tên loại polymer.

So sánh miếng lót tản nhiệt silicon với miếng lót tản nhiệt không chứa silicon

Bảng dưới đây cung cấp một so sánh sơ bộ hữu ích. Đây là một công cụ sàng lọc, không thể thay thế cho việc thử nghiệm miếng đệm trong cấu trúc lắp ráp thực tế.

Điểm quan trọng nhất là thuật ngữ “silicone” chỉ dùng để mô tả chất nền, chứ không phải toàn bộ tính năng của miếng đệm. Hai miếng đệm silicone có thể có độ cứng, hàm lượng chất độn, hiện tượng rò rỉ dầu, điện trở nhiệt và độ bền rất khác nhau. Điều này cũng đúng đối với hai miếng đệm không chứa silicone.

Miếng đệm cách nhiệt bằng silicon được làm từ chất liệu gì?

A miếng đệm cách nhiệt bằng silicone là một vật liệu composite. Chất đàn hồi silicon tạo thành một mạng lưới linh hoạt, trong khi chất độn gốm tạo ra các đường dẫn nhiệt. Ma trận và chất độn cùng quyết định độ dẫn điện, độ cứng, mật độ, độ bền xé và lực nén. Hàm lượng chất độn cao có thể cải thiện độ dẫn điện nhưng cũng có thể làm cho miếng đệm cứng hơn và kém linh hoạt hơn trong việc thích ứng với độ gợn sóng của bề mặt.

Tại sao silicone được sử dụng rộng rãi trong các miếng đệm cách nhiệt

Chất đàn hồi silicon có thể duy trì độ dẻo dai trong một dải nhiệt độ hoạt động. Chúng có thể được chế tạo với độ cứng thấp và khả năng phục hồi tốt. Ngoài ra, chúng còn có thể chứa hàm lượng chất độn gốm cao. Sự kết hợp này giúp silicon trở thành vật liệu lý tưởng để lấp đầy các khe hở có kích thước milimét giữa các linh kiện sinh nhiệt và bộ tản nhiệt, tấm làm mát, vỏ kim loại hoặc khung kết cấu.

Độ mềm giúp vật liệu lấp đầy các vết gợn vi mô trên bề mặt khi được kẹp chặt. Điều này cũng cho phép một miếng đệm tiếp xúc với các linh kiện có chênh lệch chiều cao nhỏ. Kết quả là điện trở tiếp xúc có thể giảm và ít túi khí hơn. Đây chính là lý do tại sao lợi thế rõ ràng của chỉ số dẫn điện cao hơn có thể biến mất khi vật liệu cứng hơn gây ra tiếp xúc kém. Mối quan hệ này được trình bày chi tiết hơn trong Tại sao hệ số W/mK cao không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với hiệu suất làm mát tốt hơn.

“Sự rò rỉ dầu silicone” và “sự thoát khí siloxan” có nghĩa là gì?

Một số công thức silicone có thể giải phóng một lượng nhỏ chất có trọng lượng phân tử thấp. Chất lỏng dư thừa di chuyển ra khỏi miếng đệm thường được gọi là hiện tượng rỉ dầu. Các phân tử dễ bay hơi được giải phóng vào môi trường xung quanh được gọi là hiện tượng thoát khí. Đây là những vấn đề có liên quan, nhưng không hoàn toàn giống nhau.

Mức độ rủi ro thực tế phụ thuộc vào công thức chế tạo, nhiệt độ, áp suất, thời gian, lưu lượng khí, các bề mặt lân cận và độ nhạy của thiết bị. Một miếng đệm silicon có độ rò rỉ thấp được kiểm soát có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều sản phẩm điện tử có yêu cầu khắt khe. Tuy nhiên, ngay cả một lượng nhỏ chất gây ô nhiễm cũng có thể là không thể chấp nhận được khi nằm gần bề mặt quang học hoặc điểm tiếp xúc điện.

Đừng cho rằng mọi miếng đệm silicon đều có cùng đặc tính di chuyển. Hiện nay, các nhà cung cấp đã cung cấp các loại silicon có độ rò rỉ dầu và độ thoát khí thấp. Ví dụ, Parker giới thiệu một loại miếng đệm khe hở bằng silicon có độ rò rỉ dầu thấp, được thiết kế dành cho các ứng dụng mà hiện tượng di chuyển của dầu silicon có thể gây ra các vấn đề về sản xuất hoặc thẩm mỹ trong Thông số kỹ thuật của miếng đệm THERM-A-GAP PAD 80LOE. Điều này cho thấy tại sao quyết định này không phải lúc nào cũng chỉ là sự lựa chọn đơn giản giữa silicone tiêu chuẩn và các vật liệu hoàn toàn không chứa silicone.

Miếng đệm tản nhiệt không chứa silicone là gì?

A miếng đệm tản nhiệt không chứa silicone thay thế chất đàn hồi silicon bằng một hệ thống chất kết dính khác trong khi vẫn giữ lại các chất độn dẫn nhiệt. Các nhà cung cấp có thể sử dụng các hợp chất polymer như acrylic, urethane, các hợp chất liên quan đến polyolefin hoặc các hợp chất polymer độc quyền. Miếng đệm thành phẩm vẫn phải có khả năng uốn cong theo hình dạng, duy trì tính ổn định về mặt điện, chịu được nhiệt và giữ nguyên hình dạng khi bị nén.

Thuật ngữ “không chứa silicone” cần được coi là một tuyên bố về nguyên liệu được kiểm soát. Cần làm rõ xem điều này có nghĩa là không có silicone được thêm vào một cách có chủ đích, thiết bị sản xuất được kiểm soát, hay giới hạn đã được kiểm nghiệm đối với các hợp chất siloxan dễ bay hơi. Các định nghĩa này không đồng nghĩa với nhau.

Tại sao các kỹ sư lại chỉ định sử dụng miếng tản nhiệt không chứa silicone?

Miếng đệm không chứa silicone được lựa chọn trong trường hợp cặn bám có nguồn gốc từ silicone có thể gây ảnh hưởng đến sản phẩm hoặc đến quy trình sản xuất khác. Các vấn đề thường gặp bao gồm:

• Sương mù hoặc lớp màng bám trên thấu kính, gương, ống dẫn sáng, cửa sổ và nắp che máy ảnh
• Điện trở tiếp xúc tăng tại các rơle, công tắc, đầu nối hoặc các điểm tiếp xúc hở
• Ảnh hưởng đến sơn, lớp phủ, độ bám dính, in ấn hoặc xử lý bề mặt
• Sự nhiễm bẩn của các cảm biến chính xác hoặc thiết bị phân tích
• Các quy định hạn chế tại các khu vực sản xuất sạch
• Các yêu cầu kỹ thuật của khách hàng cấm việc cố ý thêm silicone

Henkel mô tả một ứng dụng của bộ điều khiển trong đó một miếng đệm cách nhiệt không chứa silicone được lựa chọn nhằm tránh ô nhiễm xung quanh các điểm tiếp xúc điện tử, các thành phần quang học và các quy trình sản xuất ô tô. Trường hợp này cũng nêu bật một thực tế kỹ thuật quan trọng: sản phẩm thay thế vẫn phải đáp ứng các yêu cầu về dung sai xếp chồng, độ mềm, trở kháng nhiệt, nhiệt độ hoạt động liên tục và tuổi thọ dài.

Việc không chứa silicone không có nghĩa là mức độ thoát khí thấp

Mọi loại polymer đều có thể chứa các thành phần dễ bay hơi hoặc có thể chiết xuất được. Việc loại bỏ silicone giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm do silicone gây ra. Tuy nhiên, điều này không chứng minh rằng mức độ thoát khí tổng thể, mất khối lượng, mùi, ô nhiễm ion hoặc cặn ngưng tụ đủ thấp để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng.

Nếu sản phẩm sẽ hoạt động trong buồng quang học kín, hệ thống chân không, buồng cách nhiệt nhiệt độ cao hoặc các môi trường nhạy cảm khác, hãy yêu cầu cung cấp phương pháp thử nghiệm và kết quả thực tế. Chỉ ghi nhãn chung chung là “không chứa silicone” là chưa đủ. Kế hoạch kiểm định cần xác định rõ các loại chất nào cần quan tâm, hàm lượng tối đa cho phép là bao nhiêu và nhiệt độ thử nghiệm vật liệu là bao nhiêu.

So sánh hiệu suất cách nhiệt giữa miếng đệm khe hở chứa silicone và không chứa silicone

Các kỹ sư thường bắt đầu bằng hệ số dẫn nhiệt tính bằng watt trên mét-kelvin. Con số này rất hữu ích, nhưng nó không phản ánh đầy đủ thực tế. Nhiệt phải đi qua bề mặt tiếp xúc đầu tiên, truyền qua miếng đệm và đi qua bề mặt tiếp xúc thứ hai. Độ dày, áp suất, độ cứng, độ bám dính, độ phẳng bề mặt của miếng đệm cũng như sự phân bố chất độn đều ảnh hưởng đến mức tăng nhiệt độ cuối cùng.

Đối với một lớp một chiều đơn giản, điện trở nhiệt thể tích tỷ lệ thuận với độ dày và tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện:

R = t / (k × A)

Ở đây, R là điện trở nhiệt, t là độ dày của đường liên kết, k là độ dẫn nhiệt, và A là diện tích truyền nhiệt. Phương trình này không mô tả đầy đủ một bề mặt tiếp xúc mềm trong thực tế vì nó bỏ qua điện trở tiếp xúc. Tuy nhiên, nó vẫn làm rõ một điểm: một miếng đệm dày hơn sẽ làm tăng điện trở ngay cả khi độ dẫn điện của nó cao.

So sánh trở kháng nhiệt ở cùng độ dày và áp suất

Để có được sự so sánh công bằng nhất, cần sử dụng dữ liệu trở kháng nhiệt ở cùng độ dày cuối cùng, áp suất, nhiệt độ và phương pháp thử nghiệm. Không nên so sánh độ dẫn nhiệt được công bố của một miếng đệm silicon với trở kháng nhiệt của một miếng đệm không phải silicon khác. Đó là hai thông số đo lường khác nhau.

ASTM D5470 tiêu chuẩn này quy định các phép đo trở kháng nhiệt ở trạng thái ổn định và độ dẫn nhiệt biểu kiến đối với các vật liệu cách điện có tính dẫn nhiệt. ASTM cũng lưu ý rằng các điều kiện dòng nhiệt được kiểm soát trong tiêu chuẩn này không thể tái tạo trực tiếp mọi ứng dụng thực tế. Chính vì vậy, việc sàng lọc nên dựa trên dữ liệu do nhà cung cấp cung cấp, sau đó mới tiến hành thử nghiệm trên cụm linh kiện mục tiêu.

Hướng dẫn của HakTak về Độ dẫn nhiệt so với trở kháng nhiệt trong việc lựa chọn vật liệu dẫn nhiệt (TIM) giải thích cách điện trở tiếp xúc và độ dày đường hàn có thể làm thay đổi thứ hạng giữa hai loại vật liệu. Một miếng đệm có độ dẫn điện thấp hơn đôi khi có thể giúp giảm nhiệt độ linh kiện nếu nó mỏng hơn, mềm hơn hoặc phù hợp hơn với bề mặt.

Miếng đệm silicon có dẫn nhiệt tốt hơn không?

Không hẳn là như vậy. Hóa học silicone mang lại cho các nhà phát triển công thức một nền tảng hữu ích, do đó trên thị trường có rất nhiều miếng đệm silicone hiệu suất cao. Các công thức không chứa silicone cũng có thể đảm bảo khả năng truyền nhiệt hiệu quả. Kết quả phụ thuộc vào loại chất độn, hàm lượng chất độn, cấu trúc miếng đệm, độ dày và chất lượng tiếp xúc.

Hãy đảm bảo việc so sánh chỉ tập trung vào cụm cơ khí. Xác nhận dung sai khe hở, chọn độ dày sao cho vẫn duy trì tiếp xúc, tính toán độ nén và lực tại khe hở nhỏ nhất, rồi so sánh trở kháng nhiệt trong điều kiện đó. Cuối cùng, tiến hành thử nghiệm nhiệt độ trên một cụm lắp ráp đại diện.

Miếng lót tản nhiệt bằng silicone so với miếng lót tản nhiệt không chứa silicone: Độ nén và độ mềm mại

Miếng đệm khe hở phải biến dạng đủ để loại bỏ không khí và đảm bảo nằm trong giới hạn dung sai. Chúng phải thực hiện điều này mà không làm nứt linh kiện, uốn cong bảng mạch in (PCB), làm bong đầu nối hoặc gây quá tải cho các chi tiết cố định. Điều này khiến lực nén trở nên quan trọng không kém gì độ dẫn nhiệt.

Các hệ thống silicone từ lâu đã được sử dụng để sản xuất các miếng đệm rất mềm. Nhiều loại miếng đệm không chứa silicone cũng rất mềm, nhưng các kết hợp về độ cứng, độ dày và độ dẫn điện có thể khác nhau. Dữ liệu cụ thể về từng sản phẩm sẽ hữu ích hơn so với việc so sánh chung chung về thành phần hóa học.

Độ cứng không phải là lực nén

Độ cứng Shore cung cấp một chỉ số nhanh về khả năng chống lõm của bề mặt. Tuy nhiên, chỉ số này không thể dự đoán chính xác lực cần thiết để nén miếng đệm bằng các loại thép 10%, 20% hoặc 30%. Độ dày miếng đệm, vật liệu gia cường, hàm lượng chất độn, tốc độ thử nghiệm, kích thước mẫu và hành vi viscoelastic đều ảnh hưởng đến đường cong lực.

Hãy yêu cầu dữ liệu nén-lún mỗi khi ứng suất của tấm ván là yếu tố quan trọng. Nếu nhà cung cấp chỉ cung cấp thông số độ cứng Shore 00, hãy coi đó là cơ sở so sánh ban đầu. Không nên sử dụng thông số này làm dữ liệu cơ học duy nhất. Bạn có thể sử dụng khung tham chiếu trong Miếng tản nhiệt mềm và miếng tản nhiệt cứng: Loại nào tốt hơn? để liên hệ giữa độ cứng với khả năng uốn nắn, tính dễ thao tác và rủi ro trong quá trình lắp ráp.

Độ biến dạng nén và hiện tượng giãn ứng suất ảnh hưởng đến sự tiếp xúc lâu dài

Miếng đệm tản nhiệt sẽ thay đổi sau khi bị kẹp chặt trong nhiều tuần, nhiều tháng và nhiều năm. Một phần lực ban đầu sẽ giảm dần. Vật liệu cũng có thể giữ lại một phần hình dạng bị nén sau khi tải trọng được gỡ bỏ. Quá trình thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại sẽ đẩy nhanh những thay đổi này.

Thiết kế phải duy trì đủ áp lực tiếp xúc sau khi giãn ra. Áp lực này không nên chỉ phụ thuộc vào lực ép ban đầu cao. Các chất đàn hồi silicon thường mang lại độ ổn định đàn hồi hữu ích, nhưng hành vi cụ thể sẽ thay đổi tùy theo công thức. Các miếng đệm không chứa silicon cũng phải được đánh giá dựa trên dữ liệu lão hóa thay vì dựa trên các giả định về họ polymer.

Đối với thiết kế ngăn xếp, Ảnh hưởng của áp suất nén đến hiệu suất của miếng tản nhiệt giải thích lý do tại sao độ nén quá thấp sẽ dẫn đến tiếp xúc kém, trong khi độ nén quá cao lại làm tăng ứng suất cơ học và có thể gây hư hỏng vật liệu. Độ nén do nhà cung cấp khuyến nghị là mức khởi điểm. Lắp ráp hoàn chỉnh chính là bài kiểm tra cuối cùng.

Ô nhiễm miếng tản nhiệt, hiện tượng thoát khí và rò rỉ dầu

Những lo ngại về ô nhiễm là lý do chính khiến các kỹ sư so sánh miếng đệm silicon và miếng đệm không chứa silicon. Chủ đề này đòi hỏi cách diễn đạt chính xác vì nhiều cơ chế hỏng hóc thường được gộp chung lại với nhau.

Khi sự nhiễm bẩn silicone trở thành một rủi ro thiết kế thực sự

Các ứng dụng nhạy cảm với silicone không chỉ giới hạn ở thiết bị chân không. Một chiếc máy ảnh kín có thể giữ lại các chất dễ bay hơi gần ống kính. Một rơle có thể khiến các bề mặt tiếp xúc tiếp xúc với các hợp chất làm thay đổi tính chất điện. Một bộ phận ô tô đã sơn có thể gặp lỗi bám dính nếu chất ô nhiễm xâm nhập vào bề mặt đã được xử lý. Một cảm biến có thể phản ứng với các cặn bám ở mức rất nhỏ mà không gây ảnh hưởng gì đến các thiết bị điện tử thông thường.

Khoảng cách cũng là yếu tố quan trọng. Miếng đệm không nhất thiết phải tiếp xúc trực tiếp với bề mặt nhạy cảm. Nhiệt và luồng không khí có thể vận chuyển các chất bay hơi. Thể tích buồng kín, đường dẫn thông gió và nhiệt độ tại chỗ cần được đưa vào đánh giá.

Khi nào miếng đệm tản nhiệt bằng silicone có độ rò rỉ thấp là đủ

Việc loại bỏ hoàn toàn silicone có thể làm hạn chế sự lựa chọn vật liệu và đòi hỏi phải có một chương trình đánh giá chất lượng mới. Đối với một số sản phẩm, rủi ro chỉ giới hạn ở hiện tượng thấm dầu có thể quan sát được chứ không phải là sự nhiễm bẩn siloxane ở mức vết. Do đó, miếng đệm silicone có độ rò rỉ thấp đã được xác nhận có thể là một giải pháp thiết thực.

Yêu cầu nhà cung cấp cung cấp dữ liệu về hiện tượng rò rỉ, độ bay hơi và quá trình lão hóa. Thử nghiệm toàn bộ cụm lắp ráp ở nhiệt độ cao nhất có thể đạt được trong điều kiện thực tế. Đặt các mẫu đối chứng hoặc các bề mặt quang học và bề mặt tiếp xúc đại diện tại các vị trí thích hợp. Kiểm tra chúng sau khi tiếp xúc với nhiệt độ. Thử nghiệm ứng dụng này thường mang lại kết quả hữu ích hơn so với thông tin chung trên nhãn vật liệu.

Phạm vi nhiệt độ của miếng đệm tản nhiệt chứa silicone và không chứa silicone

Miếng đệm silicon được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hoạt động ở nhiệt độ cao vì chất đàn hồi silicon có thể duy trì độ dẻo dai trong một dải nhiệt độ rộng. Điều này không có nghĩa là mọi miếng đệm silicon đều có cùng mức nhiệt độ tối thiểu và tối đa được quy định. Các lớp keo dán, màng nền, lớp gia cố và chất độn có thể đặt ra các giới hạn thấp hơn so với polymer cơ bản.

Các miếng đệm không chứa silicone cũng có thể chịu được nhiệt độ hoạt động cao. Giới hạn của chúng phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất kết dính và tuổi thọ yêu cầu. Thời gian tiếp xúc ngắn không thể so sánh với việc vận hành liên tục trong 10 hoặc 20 năm.

Hãy kiểm tra mức sử dụng liên tục, chứ không chỉ dựa vào mức tối đa được nêu trong tiêu đề

Giá trị tối đa trong bảng thông số kỹ thuật có thể chỉ mô tả tình trạng vật liệu tiếp xúc trong thời gian ngắn trong một thử nghiệm cụ thể. Hãy hỏi xem thông số đó có áp dụng cho điều kiện hoạt động liên tục hay không, liệu nó có bao gồm lớp keo dán hay không, và các thông số như trở kháng nhiệt, độ cứng, kích thước và lực thay đổi như thế nào sau quá trình lão hóa. Một miếng đệm có thể vẫn giữ nguyên hình dạng vật lý nhưng lại mất đi hiệu suất nhiệt hoặc cơ học hữu ích.

Quá trình thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại có thể làm bộc lộ những khác biệt về vật liệu

Miếng đệm nằm giữa các bề mặt có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Mỗi chu kỳ bật/tắt đều gây ra chuyển động. Miếng đệm phải theo kịp chuyển động đó mà không bị rách, lệch khỏi vị trí hoặc mất tiếp xúc.

Quá trình thay đổi nhiệt độ lặp lại có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị điện tử ô tô, bộ nguồn, thiết bị viễn thông ngoài trời, đèn LED, hệ thống pin và hệ thống điều khiển công nghiệp. Cần kiểm tra áp lực lắp đặt và khe hở thực tế. Thử nghiệm trên mẫu thử lỏng lẻo sẽ không thể tái tạo được trạng thái ứng suất trong sản phẩm.

Cách điện trong miếng đệm tản nhiệt silicon và không chứa silicon

Nhiều miếng đệm cách nhiệt sử dụng chất độn gốm cách điện. Tuy nhiên, “miếng đệm cách nhiệt” không đồng nghĩa với “chất cách điện”. Một số chất trung gian truyền nhiệt có tính dẫn điện. Một số loại khác lại chứa các vật liệu gia cố hoặc màng điện môi mỏng để tăng khả năng chống thủng.

Cả miếng đệm silicon lẫn miếng đệm không chứa silicon đều có thể được chế tạo để có tính cách điện. Việc lựa chọn nên tập trung vào các tính chất điện môi đã được kiểm chứng của cấu trúc thành phẩm.

So sánh điện áp đứt tại độ dày thực tế của miếng đệm

Độ bền điện môi thường được biểu thị bằng kV/mm. Điện áp phá vỡ là điện áp mà tại đó mẫu thử bị hỏng theo một phương pháp và độ dày đã được xác định. Các giá trị này có mối liên hệ với nhau nhưng không thể thay thế cho nhau trong thiết kế hệ thống.

ASTM D149 Thường được dùng làm tham chiếu cho điện áp phá vỡ điện môi và độ bền điện môi của các vật liệu cách điện rắn. Kết quả phụ thuộc vào độ dày mẫu thử, điện cực, độ dốc điện áp, môi trường và quy trình thử nghiệm. Giá trị trong danh mục có thể hữu ích cho việc so sánh, nhưng biên độ an toàn phải tuân thủ các yêu cầu về điện áp, quy định, mức ô nhiễm và sự cố của sản phẩm.

Hướng dẫn Miếng đệm cách nhiệt cách điện: Khi nào bạn cần sử dụng chúng? trình bày chi tiết hơn về các vấn đề liên quan đến cách ly. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi miếng đệm kết nối một linh kiện mang điện, mô-đun nguồn, thanh dẫn điện hoặc khu vực trên bảng mạch in (PCB) với khung kim loại được nối đất.

Việc gia cố có thể thay đổi cả tính chất nhiệt lẫn tính chất cơ học

Việc gia cố bằng sợi thủy tinh hoặc màng có thể cải thiện khả năng thao tác, độ bền chống rách và độ tin cậy về tính điện môi. Tuy nhiên, điều này cũng có thể làm cho miếng đệm kém linh hoạt hơn. Sản phẩm được gia cố có thể cần áp lực lớn hơn để ôm sát các bề mặt gồ ghề hoặc bị cong vênh.

Đừng so sánh miếng đệm silicon có gia cố với miếng đệm không phải silicon và không có gia cố như thể chất nền là điểm khác biệt duy nhất. Hãy so sánh toàn bộ cấu trúc của chúng. Kiểm tra khả năng chống thủng xung quanh các gờ, góc cạnh của linh kiện, các chi tiết vít và vết gia công trên bộ tản nhiệt.

Lựa chọn độ dày của miếng đệm tản nhiệt silicon và không chứa silicon

Độ dày danh định chính xác là độ dày mỏng nhất của miếng đệm vẫn đảm bảo tiếp xúc đáng tin cậy trong toàn bộ phạm vi dung sai sản xuất. Miếng đệm quá mỏng có thể không tiếp xúc được với bề mặt tại khe hở lớn nhất. Miếng đệm quá dày sẽ làm tăng điện trở nhiệt và có thể gây quá tải cho cụm linh kiện tại khe hở nhỏ nhất.

Tính toán mức nén tối thiểu và tối đa

Giả sử một miếng đệm có kích thước danh nghĩa 2,0 mm được lắp vào một khe hở có độ rộng dao động từ 1,5 đến 1,8 mm.

• Khi khe hở là 1,8 mm, độ nén là (2,0 – 1,8) / 2,0 = 10%.
• Khi khe hở là 1,5 mm, độ nén là (2,0 – 1,5) / 2,0 = 25%.

Ứng viên phải đảm bảo tiếp xúc ở mức nén 10% và duy trì lực trong giới hạn cho phép tại 25%. Lặp lại phép tính này cho từng góc quan trọng hoặc nhóm linh kiện. Cần tính đến độ võng của bảng mạch in (PCB), chiều cao linh kiện, độ phẳng của khung máy, dung sai của bulông và dung sai độ dày của miếng đệm.

Quy trình từng bước trong Cách chọn độ dày miếng tản nhiệt cho các thiết bị điện tử giúp chuyển đổi các kích thước của lớp xếp chồng đó thành thông số kỹ thuật thực tế cho miếng đệm. Phương pháp này cũng áp dụng cho cả sản phẩm có chứa silicone và không chứa silicone.

Độ dày cuối cùng của lớp liên kết quyết định dòng nhiệt

Độ dày danh nghĩa của tấm không phải là kích thước quyết định điện trở nhiệt tổng thể sau khi lắp ráp. Yếu tố quyết định là độ dày của đường nối sau khi nén. Nếu một miếng đệm dày 2,0 mm sau khi nén còn lại 1,6 mm, thì trong các tính toán cần sử dụng giá trị 1,6 mm cùng với các dữ liệu tiếp xúc liên quan.

Độ dày đường nối ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất cách nhiệt giải thích lý do tại sao việc giảm độ dày không cần thiết thường mang lại lợi ích về mặt nhiệt cao hơn so với việc chuyển sang loại miếng đệm có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều. Đây là một trong những biện pháp kiểm tra hữu ích nhất khi một sản phẩm thay thế không chứa silicone có giá trị W/mK được công bố thấp hơn so với miếng đệm silicone hiện đang được sử dụng.

Sự khác biệt về độ tin cậy giữa miếng tản nhiệt silicon và miếng tản nhiệt không chứa silicon

Độ tin cậy không phải là một đặc tính đơn lẻ. Đó là khả năng duy trì tiếp xúc nhiệt, cách điện, vị trí vật lý và mức độ sạch sẽ ở mức chấp nhận được trong suốt vòng đời của sản phẩm. Điều này đòi hỏi phải thực hiện nhiều thử nghiệm.

Kiểm tra hiệu suất nhiệt trước và sau quá trình lão hóa

Một miếng đệm có thể vượt qua bài kiểm tra nhiệt độ ban đầu nhưng vẫn có thể không đạt yêu cầu sau một thời gian sử dụng. Hãy đo các điểm nhiệt độ tương ứng trước và sau khi tiếp xúc với môi trường. Đảm bảo duy trì các thông số như nguồn điện, lưu lượng khí, nhiệt độ chất làm mát, mô-men xoắn lắp đặt và vị trí cảm biến ở mức ổn định.

Để so sánh ở cấp độ vật liệu, dữ liệu theo tiêu chuẩn ASTM D5470 có thể hỗ trợ quá trình sàng lọc trở kháng nhiệt. Tổng quan của HakTak về Các tiêu chuẩn kiểm thử TIM phổ biến mà các kỹ sư cần biết có thể giúp xây dựng một kế hoạch thử nghiệm toàn diện hơn, bao gồm các đặc tính nhiệt, cơ học và điện.

Kiểm tra quy trình sản xuất như một phần của công tác đảm bảo độ tin cậy

Hiệu suất của vật liệu có thể bị suy giảm trong quá trình gia công và lắp ráp. Một miếng đệm quá mềm có thể bị giãn ra khi tháo lớp lót. Bề mặt có độ bám dính cao có thể giữ lại không khí. Loại vật liệu không chứa silicone có thể sạch khi còn ở dạng tấm nguyên bản nhưng có thể bị nhiễm bẩn khi sử dụng chung thiết bị cắt. Phần mỏng có thể bị rách gần lỗ hoặc thành mỏng.

Các mẫu kiểm định phải tuân thủ theo hình dạng cắt khuôn dự kiến, lớp lót, bao bì, thời gian bảo quản, phương pháp lấy mẫu và quy trình đặt sản phẩm. Nếu việc loại trừ silicone là bắt buộc, các biện pháp kiểm soát trong quá trình gia công và đóng gói phải được quy định rõ trong thỏa thuận với nhà cung cấp.

Khi nào bạn nên chọn miếng lót cách nhiệt bằng silicone?

Miếng đệm cách nhiệt bằng silicone thường là lựa chọn khởi đầu tốt hơn khi ứng dụng không có yêu cầu cụ thể về độ nhạy cảm với silicone và cần một giải pháp lấp đầy khe hở đã được kiểm chứng và linh hoạt. Các lý do điển hình bao gồm:

• Yêu cầu về dải nhiệt độ hoạt động rộng
• Lực nén rất thấp
• Khoảng cách lớn hoặc thay đổi
• Khả năng thích ứng cao trên các bề mặt không bằng phẳng
• Nhiều lựa chọn về độ dẫn điện và độ dày
• Có sẵn đa dạng các loại khuôn cắt và cấu hình đinh ghim
• Kinh nghiệm dày dặn trong lĩnh vực làm mát thiết bị điện tử
• Sự cần thiết phải cân bằng giữa truyền nhiệt và giảm chấn rung

Phần cứng máy tính nói chung, bộ nguồn, thiết bị viễn thông, bộ pin, bộ điều khiển đèn LED, thiết bị điện tử công nghiệp, bộ biến tần, sản phẩm tiêu dùng và nhiều mô-đun ô tô thường sử dụng miếng đệm tản nhiệt silicon. Điều này không có nghĩa là không cần kiểm tra hiện tượng rò rỉ dầu hay thoát khí. Điều đó có nghĩa là silicon được chấp nhận khi những rủi ro đó đã được đánh giá và kiểm soát.

Khi nào bạn nên chọn miếng đệm giữ nhiệt không chứa silicone?

Miếng đệm tản nhiệt không chứa silicone là lựa chọn phù hợp khi thiết kế có cơ chế hỏng hóc cụ thể liên quan đến silicone hoặc có yêu cầu hạn chế từ phía khách hàng. Một số ví dụ phổ biến bao gồm:

• Máy ảnh, mô-đun laser, cảm biến quang học, ống dẫn sáng và ống kính kín
• Rơle, công tắc, đầu nối và các điểm tiếp xúc điện lộ ra ngoài
• Thiết bị được sử dụng gần các công đoạn sơn, phủ, dán hoặc in ấn
• Các thiết bị đo lường và phân tích chính xác
• Một số thiết bị lưu trữ và sản xuất chất bán dẫn
• Các dây chuyền sản xuất sạch với các chính sách kiểm soát silicone
• Các sản phẩm mà theo yêu cầu kỹ thuật của khách hàng không được sử dụng silicone

Lựa chọn đó vẫn phải đáp ứng các yêu cầu về nhiệt và cơ học. Tránh thay thế miếng đệm silicon mềm bằng miếng đệm không phải silicon cứng hơn có cùng độ dày danh định mà không tính toán lại lực tác động. Đồng thời, cần kiểm tra xem giới hạn nhiệt độ thấp hơn, độ bám dính khác biệt hoặc chi phí cao hơn có ảnh hưởng đến sản phẩm hay không.

Tổng quan về vật liệu cách nhiệt của Parker khẳng định rằng các dòng sản phẩm miếng đệm khe hở thương mại bao gồm cả chất đàn hồi silicon và chất đàn hồi không chứa silicon để truyền nhiệt qua các khe hở lớn và có kích thước thay đổi. Tính sẵn có này rất hữu ích, nhưng mỗi vật liệu tiềm năng vẫn là một hệ thống vật liệu riêng biệt với dữ liệu và các yêu cầu về chứng nhận riêng.

Cách lựa chọn giữa miếng lót cách nhiệt silicon và không chứa silicon

Hãy áp dụng quy trình lấy yêu cầu làm trọng tâm. Đừng bắt đầu bằng việc so sánh xem phương pháp hóa học nào tốt hơn. Hãy bắt đầu bằng việc xác định chức năng mà giao diện phải thực hiện.

Bước 1: Xác nhận xem liệu silicone có thực sự bị hạn chế hay không

Hãy hỏi các nhóm phụ trách sản phẩm, chất lượng, quy trình và khách hàng về lý do đằng sau hạn chế này. “Chúng tôi ưu tiên sử dụng chất không chứa silicone” không phải là một yêu cầu có thể kiểm chứng được. “Không phát hiện được siloxan D4-D10 vượt quá giới hạn quy định sau khi tiếp xúc” là yêu cầu có thể kiểm chứng được. Tương tự, “không có cặn bám nhìn thấy được trên thấu kính sau 1.000 giờ ở nhiệt độ tối đa trong buồng thử nghiệm” cũng là yêu cầu có thể kiểm chứng được.”

Nếu vấn đề chỉ là hiện tượng rò rỉ dầu có thể quan sát được, thì một loại silicone có độ rò rỉ thấp và đạt tiêu chuẩn có thể là đủ. Nếu các tạp chất siloxan dù chỉ ở mức rất nhỏ cũng có thể làm hỏng các điểm tiếp xúc hoặc gây mờ các bộ phận quang học, thì một sản phẩm không chứa silicone đã được kiểm chứng sẽ phù hợp hơn.

Bước 2: Xác định mục tiêu nhiệt

Đặt giá trị tối đa cho nhiệt độ linh kiện, tải nhiệt, nhiệt độ bề mặt làm mát và điện trở giao diện cho phép. Sử dụng điều kiện xấu nhất có thể xảy ra trong thực tế. Cần tính đến các yếu tố như hiệu suất quạt giảm sút, nhiệt độ môi trường cao, dung sai của chất làm mát và sự biến động trong quá trình sản xuất (nếu có).

Hãy bắt đầu từ cái nhìn tổng quát hơn Vật liệu giao diện nhiệt khung lựa chọn nếu bề mặt tiếp xúc cũng có thể sử dụng putty, gel, mỡ bôi trơn, vật liệu thay đổi pha hoặc chất cách điện mỏng. Miếng đệm không phải lúc nào cũng là giải pháp tối ưu cho một bề mặt tiếp xúc gần như phẳng và được kiểm soát chặt chẽ.

Bước 3: Xác định dung sai khe hở toàn phần

Đo hoặc tính toán khe hở nhỏ nhất và lớn nhất. Bao gồm tất cả các bộ phận liên quan. Chọn miếng đệm mỏng nhất tiếp xúc tại khe hở lớn nhất và tính toán độ nén tại khe hở nhỏ nhất. Sau đó, so sánh độ nén đó với phạm vi khuyến nghị của nhà cung cấp.

Bước 4: Cài đặt giới hạn lực cơ học

Xác định các loại vỏ bọc dễ vỡ, các điểm hàn, giới hạn độ võng của bảng mạch in (PCB), độ thẳng hàng của đầu nối và độ cứng của vỏ bảo vệ. Yêu cầu nhà cung cấp cung cấp các đường cong “áp suất so với độ võng”. So sánh các phương án ứng cử tại điều kiện độ dày và nhiệt độ nén thực tế.

Bước 5: Kiểm tra các yêu cầu về điện và an toàn

Xác nhận xem giao diện có cần cách ly điện áp hay không. Xác định điện áp làm việc, các điều kiện quá độ, khoảng cách cách điện dọc và ngang, hệ thống nối đất, tính dễ cháy, cũng như các yêu cầu theo quy định. Yêu cầu cung cấp dữ liệu về điện áp phá hủy theo từng độ dày cụ thể và các chi tiết cấu tạo.

Bước 6: So sánh dữ liệu về ô nhiễm và dữ liệu môi trường

Đối với miếng đệm silicon, cần xem xét các dấu hiệu rò rỉ dầu, độ bay hơi và hiện tượng thoát khí. Đối với miếng đệm không chứa silicon, cần xác minh định nghĩa về “không chứa silicon” và xem xét tổng lượng khí thoát ra hoặc các chất thải khác có liên quan. Đối với cả hai loại, cần kiểm tra các yêu cầu về độ ẩm, lão hóa nhiệt, tiếp xúc với hóa chất và khả năng chống cháy.

Bước 7: Kiểm tra cụm lắp ráp thực tế

Sản xuất các mẫu thử ở các giới hạn dung sai cực đoan. Đo nhiệt độ và ứng suất cơ học của các linh kiện. Thực hiện các thử nghiệm lão hóa và thử nghiệm chu kỳ. Kiểm tra các mẫu tiếp xúc, vị trí pad, cặn bám, bề mặt quang học và các điểm tiếp xúc điện. Lặp lại thử nghiệm với các khuôn cắt và phương pháp lắp ráp tương đương với quy trình sản xuất.

Danh sách kiểm tra lựa chọn miếng tản nhiệt dành cho kỹ sư

Hãy sử dụng danh sách kiểm tra này trong quá trình đánh giá thiết kế hoặc so sánh nhà cung cấp:

• Silicone có bị cấm không, hay chỉ cần mức độ rò rỉ dầu thấp là đủ?
• Loại chất hóa học hoặc dư lượng nào có thể gây ra sự cố?
• “Không chứa silicone” được định nghĩa và xác minh như thế nào?
• Khoảng cách tối thiểu, danh nghĩa và tối đa là bao nhiêu?
• Độ dày cuối cùng của đường liên kết nén là bao nhiêu?
• Nhà cung cấp khuyến nghị phạm vi nén nào?
• Áp suất tạo ra ở các giới hạn dung sai là bao nhiêu?
• Độ trở nhiệt được báo cáo là bao nhiêu ở điều kiện áp suất và độ dày tương đương?
• Độ dẫn điện có được đo bằng cùng một phương pháp đối với tất cả các ứng viên không?
• Miếng đệm có cần cách ly điện không?
• Các thông số về điện áp đứt và cách điện theo độ dày cụ thể là gì?
• Có cần gia cố để tăng khả năng chống thủng hay khả năng chịu lực khi vận chuyển không?
• Nhiệt độ hoạt động liên tục và tuổi thọ dự kiến là bao nhiêu?
• Điện trở nhiệt và lực nén thay đổi như thế nào sau quá trình lão hóa?
• Miếng đệm đã vượt qua thử nghiệm chu kỳ nhiệt trong vỏ thiết bị thực tế chưa?
• Vật liệu này có thể được cắt khuôn mà không bị rách hoặc tạo ra các hạt bụi không?
• Các công đoạn chế biến, đóng gói và xử lý có được kiểm soát để đảm bảo an toàn khi sử dụng cho những người nhạy cảm với silicone không?
• Chất kết dính hay độ bám dính tự nhiên có làm thay đổi tính chất nhiệt và tính chất nhiễm bẩn hay không?
• Có thể tháo miếng đệm ra một cách gọn gàng trong quá trình sửa chữa không?
• Nhà cung cấp có khả năng duy trì việc kiểm soát công thức và quy trình trong suốt thời gian thực hiện chương trình không?

Câu hỏi thường gặp

Miếng tản nhiệt không chứa silicone có tốt hơn miếng tản nhiệt chứa silicone không?

Không phải trong mọi ứng dụng. Miếng đệm tản nhiệt không chứa silicone là lựa chọn tốt hơn khi sự nhiễm bẩn silicone gây ra rủi ro cụ thể. Miếng đệm silicone có thể mang lại nhiều lựa chọn hơn về độ mềm, dải nhiệt độ, độ dày và hiệu suất tản nhiệt khi việc sử dụng silicone được chấp nhận. Hãy so sánh giao diện hoàn thiện, chứ không chỉ thành phần hóa học.

Miếng đệm cách nhiệt bằng silicone có bị rò rỉ dầu không?

Một số công thức có thể xuất hiện hiện tượng rò rỉ dầu hoặc giải phóng các hợp chất silicone có trọng lượng phân tử thấp. Lượng rò rỉ này có thể dao động rất lớn. Hiện có sẵn các loại silicone có mức độ rò rỉ thấp. Quý khách nên yêu cầu dữ liệu thử nghiệm và kiểm tra sản phẩm trong các điều kiện nhiệt độ, áp suất, thời gian và môi trường thực tế.

Các miếng đệm tản nhiệt không chứa silicone có thực sự không chứa silicone không?

Ý nghĩa của tuyên bố này phụ thuộc vào thông số kỹ thuật và các biện pháp kiểm soát quy trình của nhà cung cấp. Cần xác nhận xem tuyên bố này có nghĩa là không có silicone được thêm vào một cách cố ý, có giới hạn định lượng đối với siloxan, hay là quy trình sản xuất được kiểm soát để không chứa silicone. Khi yêu cầu này mang tính chất quan trọng, hãy yêu cầu cung cấp phương pháp thử nghiệm và giới hạn phát hiện.

Loại miếng tản nhiệt nào phù hợp hơn cho máy ảnh và mô-đun quang học?

Các miếng đệm không chứa silicone thường được ưa chuộng khi lắp đặt gần thấu kính, cảm biến, gương và các đường dẫn quang học kín, vì chúng giúp tránh được các vấn đề về sương mù và cặn bám đặc trưng của silicone. Vật liệu được lựa chọn vẫn cần được kiểm tra về lượng khí thoát ra tổng thể và cặn ngưng tụ trong môi trường thực tế của vỏ thiết bị.

Loại miếng tản nhiệt nào phù hợp hơn cho các thiết bị điện tử công suất?

Miếng đệm silicon được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điện tử công suất vì chúng kết hợp được khả năng thích ứng cao, tính cách điện, khả năng chịu nhiệt trong phạm vi nhiệt độ làm việc và lực nén thấp. Trong trường hợp có các yêu cầu nghiêm ngặt về ô nhiễm, miếng đệm không chứa silicon cũng có thể được sử dụng. Các yếu tố như trở kháng nhiệt, tính chất điện môi, độ dày lớp liên kết và lực nén nên là cơ sở để đưa ra quyết định cuối cùng.

Miếng lót silicon ít thấm máu có thể thay thế miếng lót không phải silicon được không?

Tùy trường hợp. Điều này phụ thuộc vào cơ chế hỏng hóc. Việc giảm lượng dầu rò rỉ có thể khắc phục hiện tượng di chuyển có thể quan sát được hoặc vết ố trên bề mặt. Tuy nhiên, biện pháp này có thể không đáp ứng được quy định nghiêm ngặt về việc cấm sử dụng silicone hoặc giới hạn hàm lượng siloxan ở mức vết. Quá trình đánh giá phải dựa trên các tiêu chí chấp nhận của ứng dụng.

Miếng đệm cách nhiệt bằng silicon hoặc không chứa silicon nên được nén lại bao nhiêu?

Không có tỷ lệ phần trăm chung nào cả. Hãy sử dụng khoảng giá trị do nhà cung cấp khuyến nghị và tính toán độ nén tại các khe hở tối thiểu và tối đa. Sau đó, kiểm tra áp suất, độ tiếp xúc, hiệu suất nhiệt và khả năng duy trì lực lâu dài trong cụm lắp ráp.

Khuyến nghị cuối cùng

Hãy chọn miếng đệm cách nhiệt bằng silicone khi thiết kế yêu cầu một vật liệu lấp đầy khe hở mềm, bền và dễ tìm mua, đồng thời silicone không gây ra vấn đề ô nhiễm đã được xác nhận. Các loại silicone có độ rò rỉ thấp có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của lựa chọn này sang những trường hợp mà miếng đệm silicone thông thường không phù hợp.

Hãy chọn miếng đệm cách nhiệt không chứa silicone trong trường hợp dầu silicone, siloxan dễ bay hơi, các hạn chế từ phía khách hàng hoặc ô nhiễm trong quá trình sản xuất có thể gây hư hỏng cho các bộ phận quang học, điểm tiếp xúc, lớp phủ, cảm biến hoặc chất lượng sản phẩm. Cần xác minh rõ ý nghĩa của thuật ngữ “không chứa silicone” và tiến hành thử nghiệm để đánh giá hành vi ô nhiễm tổng thể, thay vì chỉ dựa vào nhãn mác.

Đối với cả hai loại vật liệu này, các ưu tiên kỹ thuật vẫn không thay đổi: sử dụng lớp liên kết đáng tin cậy mỏng nhất có thể, duy trì lực nén trong giới hạn an toàn, so sánh trở kháng nhiệt trong các điều kiện tương đương, đảm bảo cách điện khi cần thiết và xác nhận hiệu suất sau quá trình lão hóa. Miếng đệm nhiệt tốt nhất không được xác định chỉ bởi một loại polymer hay một giá trị W/mK. Đó là vật liệu duy trì tiếp xúc sạch sẽ, ổn định và nhiệt độ chấp nhận được trong suốt vòng đời của sản phẩm.