Vật liệu tản nhiệt bề mặt TIMs và hiệu quả tản nhiệt cho PCB
08:10:00 17/10/2024
Tại sao quản trị nhiệt ngày càng quan trọng trong điện tử?
Tới 55% các hư hại trên bảng mạch điện tử gây ra bởi nhiệt
Những nguyên nhân chính gây hư hại bảng mạch điện tử
.
Cháy chip trên PCB do quá nhiệt.
Nhiệt độ bảng mạch tăng cao gây ảnh hưởng đến hoạt động của cả các linh kiện chủ động lẫn thụ động trên một mạch tích hợp. Nếu nhiệt độ tăng đủ cao, các linh kiện chủ động và thụ động bị làm nóng có thể hoạt động không chính xác và thậm chí là hỏng hoàn toàn. Những hư hại này bao gồm quá nhiệt, hỏng mạch điện, ăn mòn và khuếch tán điện di,… Do đó, việc hạn chế thối thiểu lượng nhiệt gia tăng trên bảng mạch là cực kì quan trọng.
Nguyên nhân gây tăng nhiệt độ trên một bảng mạch điện tử?
- Mật độ điện và cường độ dòng điện ngày càng cao
Nhu cầu không ngừng tăng đối với bộ xử lý hiệu suất cao hơn đã dẫn đến mức tiêu thụ điện năng tăng mạnh trên tất cả các phân khúc thị trường, chẳng hạn như máy tính để bàn, điện thoại di động hiệu suất cao cũng như máy chủ và máy trạm. Việc tăng mật độ năng lượng và cường độ dòng điện trong bộ vi xử lý là nguồn nhiệt chính và gây lo ngại cho việc quản lý nhiệt cho các điểm nóng trên chip cũng như bảng mạch và việc nóng lên do tải điện.
- Mật độ linh kiện cao hơn trên bảng mạch
Nguyên nhân khác gây ra những lo ngại về quản trị nhiệt cho một bảng mạch điện tử đó là: ngành công nghiệp điện tử đang chứng kiến xu hướng không ngừng của những thiết bị cầm tay và các thiết bị gia dụng ngày càng nhỏ và mỏng nhẹ. Đó là lý do tại sao PCB ngày càng nhỏ gọn hơn, các linh kiện trên bảng mạch gần nhau hơn và khiến nhiệt tạo ra khó truyền được ra khỏi linh kiện hơn.
Làm thế nào để làm mát cho PCB?
Mục tiêu của quá trình quản trị nhiệt trong một gói mạch điện tử đó là loại bỏ nhiệt từ bảng mạch ra môi trường một cách hiệu quả. Các phương pháp làm mát chính để tản nhiệt dựa trên các phương thức truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Công nghệ tản nhiệt đã chuyển từ truyền nhiệt một pha sang truyền nhiệt nhiều pha. Các công nghệ làm mát như tản nhiệt buồng hơi, tấm làm mát,.. sẽ là các phương pháp thay đổi tương lai của các phương pháp quản trị nhiệt.
Để làm mát bảng mạch điện tử hiệu quả cần sử dụng kết hợp các phương thức truyền nhiệt với nhau. Thường gặp nhất là kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt.
- Dẫn nhiệt: nhiệt được truyền từ vật nóng sang vật lạnh thông qua tiếp xúc trực tiếp
- Đối lưu: nhiệt được truyền giữa hai bề mặt do sự chuyển động tương đối giữa chúng
Do đó, việc truyền nhiệt để làm mát hiệu quả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Trong đó, hiệu quả dẫn nhiệt giữa các bề mặt nóng đến thiết bị tản nhiệt sẽ quyết định chủ yếu đến hiệu quả tản nhiệt chung.
Vật liệu quản trị nhiệt bề mặt- TIMs
Về hiện tượng dẫn nhiệt giữa hai bề mặt tiếp xúc trực tiếp
.
.
Ở cấp độ vi mô, bất cứ bề mặt kĩ thuật nào của các linh kiện điện tử cũng đều gồ ghề và thô ráp. Khi hai bề mặt gồ ghề như vậy tiếp xúc với nhau trong quá trình lắp ráp điện tử, tiếp xúc thực tế giữa hai bề mặt này chỉ xấp xỉ 1-2%. Những khoảng trống xung quanh điền đầy bằng không khí với hệ số dẫn nhiệt rất thấp (~0.026 W/m.K) dẫn đến giảm hiệu quả tản nhiệt chung đáng kể.
Vật liệu quản trị nhiệt bềmặt (TIMs) là những vật liệu được sử dụng chèn vào giữa hai bềmặt để thay thế khoảng trống không khí, từ đó tăng khả năng truyền nhiệt giữa hai bềmặt.
Mặc dù TIMs- các vật liệu quản trị nhiệt bề mặt có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn nhiều so với bề mặt (thường từ 1-7 W/m.K và cao hơn trong một số trường hợp đặc biệt), nó vẫn cao hơn rất nhiều so với không khí. (38-270 lần). Đồng thời, chúng rất đồng nhất và có thể bao phủ đồng đều lên bề mặt dù là gồ ghề và phức tạp.
Lựa chọn loại vật liệu quản trị nhiệt bề mặt phù hợp
Vật liệu quản trị nhiệt bề mặt được lựa chọn dựa theo thiết kế bảng mạch với các tính chất mong muốn theo yêu cầu. Dưới đây là một số yếu tố cần cân nhắc để lựa chọn được loại vật liệu tản nhiệt bề mặt phù hợp.
- Dải nhiệt độ hoạt động của PCB và thiết bị điện tử: vật liệu quản trị nhiệt chứa silicone, ví dụ như thermal gap filler có hiệu quả khi sử dụng ở nhiệt độ cao tốt hơn so với vật liệu không chứa silicone.
- Khoảng cách giữa nguồn nóng (chip) và bề mặt tản nhiệt. Thông thường, lớp vật liệu tản nhiệt bề mặt càng mỏng càng tốt, nhưng do các bề mặt tiếp xúc không hoàn toàn phẳng, cho nên phải cân nhắc độ dày tối thiểu của lớp vật liệu đủ để giải quyết các vấn đề liên quan đến độ phẳng.
- Độ dẫn nhiệt, đơn vị W/m.K là khả năng dẫn nhiệt không phụ thuộc vào chiều dày của vật liệu. Giá trị độ dẫn nhiệt có thể sử dụng để so sánh các vật liệu quản trị nhiệt, nhưng không thể hiện khả năng giảm điện trở tiếp xúc của vật liệu tản nhiệt trong ứng dụng.
- Nhiệt trở là thông số quan trọng với đơn vị Kin2/W. Đây là thông số đặc trưng cho từng ứng dụng về chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt tiếp xúc với dòng nhiệt ổn định truyền qua chúng. Nhiệt trở thường giảm khi áp suất lắp ráp và diện tích tiếp xúc tăng, ngược lại nhiệt trở tăng khi chiều dày lớp vật liệu tản nhiệt tăng.
- Độ phẳng của hai bề mặt tiếp xúc rất quan trọng để lựa chọn loại vật liệu tản nhiệt. Nếu cả hai bề mặt đều phẳng, kem tản nhiệt hoặc một lớp tản nhiệt mỏng có thể là lựa chọn lý tưởng, nhưng trường hợp đó hiếm khi xảy ra. Những chip tích hợp nhựa thường lõm ở giữa và nếu tản nhiệt rất phẳng, diện tích tiếp xúc bị giới hạn chỉ ở chu vi chip và ở giữa sẽ chỉ là không khí.
.
- Độ cách điện, đơn vị kV, đôi khi sẽ yêu cầu đối với vật liệu tản nhiệt. Những vật liệu tản nhiệt gốc silicone và các vật liệu dày hơn như thermal gap filler có độ cách điện tốt. Những vật liệu mỏng hơn như vật liệu chuyển pha và kem tản nhiệt có thể có độ cách điện không cao. Graphite là vật liệu tản nhiệt dẫn điện.
- Độ nén rất quan trọng đối với các bề mặt không bằng phẳng cũng như khi phải bao phủ nhiều linh kiện. Nếu nhiệt độ cao cùng với áp suất cao tác dụng lên một vật liệu tản nhiệt gốc silicone, silicone có thể bị rỉ ra PCB. Nếu áp suất không đủ lớn trên vật liệu tản nhiệt, nhiệt trở giữa hai bề mặt sẽ cao.
- UL-khả năng chống cháy. Yêu cầu về chứng chỉ UL đánh giá khả năng chống cháy của vật liệu là cần thiết cho rất nhiều ứng dụng tản nhiệt. Hầu hết những vật liệu tản nhiệt đều có khả năng chống cháy V-0, đáp ứng hầu hết các trường hợp.
- Chứa hoặc không chứa silicone. Silicone là vật liệu có tính chất nhiệt tuyệt vời ở dải nhiệt độ rộng. Tuy nhiên trong một số ứng dụng như hàng không vũ trụ, silicone không được sử dụng do phát thải khí.
- Cách ứng dụng đơn giản. Phương pháp sử dụng vật liệu tản nhiệt là quyết định liên quan đến hiệu suất và chi phí. Những tản nhiệt nhỏ hầu hết được gắn với băng keo tản nhiệt hai mặt. Những tản nhiệt lớn hơn yêu cầu kết cấu kẹp giữ cơ học. Keo có thể được bổ sung vào một mặt hoặc cả hai mặt của vật liệu tản nhiệt. Tuy nhiên, một lớp keo như vậy sẽ làm tăng nhiệt trở.
- Khả năng dễ sử dụng trong môi trường sản xuất. Thay thế vật liệu khi phải tháo tản nhiệt có dễ dàng hay không? Một số loại gap filler có thể tái sử dụng, nhưng các vật liệu chuyển pha và kem tản nhiệt phải được thay thế.
Bên cạnh các đặc tính của vật liệu tản nhiệt, các nhà thiết kế nên xem xét các quy trình lắp ráp tự động và khả năng dễ dàng tích hợp một số giải pháp nhất định vào PCBA hoặc cụm điện tử trong quá trình sản xuất. Các vật liệu quản trị nhiệt bề mặt có cả dạng rắn và lỏng. Sự đa dạng về dạng vật liệu giúp các nhà thiết kế có thể linh hoạt lựa chọn được loại vật liệu phù hợp nhất với linh kiện, ứng dụng và quy trình lắp ráp của mình.
