Tepelně vodivé tmely a lepidla hrají zásadní roli v moderním průmyslu, zejména tam, kde je kriticky důležitý efektivní odvod tepla. Tyto materiály jsou nezbytné pro zajištění optimálního výkonu a dlouhé životnosti elektronických součástek, jako jsou procesory, LED diody a další zařízení generující teplo. V potravinářském průmyslu, ačkoli se jejich použití liší, je princip odvodu tepla stále klíčový pro některé procesy a zařízení.
Typy tepelně vodivých materiálů
Existuje několik hlavních typů tepelně vodivých materiálů, které se liší svými vlastnostmi a aplikacemi:
1. Tepelný tuk (Tepelně vodivé silikonové mazivo)
- Tepelně vodivé silikonové mazivo je široce používané tepelně vodivé médium.
- Jedná se o esterovou látku tvořenou speciálním procesem se silikonovým olejem jako surovinou a plnivy, jako jsou zahušťovadla.
- Má určitou viskozitu a nemá zjevnou zrnitost.
- Pracovní teplota tepelného vodivého silikonového tuku je obecně -50 °C až 220 °C.
- Vykazuje dobrou tepelnou vodivost, odolnost proti vysoké teplotě, odolnost proti stárnutí a vodotěsné charakteristiky.
- Během procesu rozptylu tepla zařízení, po zahřátí do určitého stavu, tepelně vodivý silikonový tuk vykazuje polotekutý stav, plně vyplňuje mezeru mezi CPU a chladičem, čímž se tyto dva pevně spojí a zvyšuje vedení tepla.
2. Tepelný silikagel
- Tepelně vodivý silikagel se vyrábí přidáním určitých chemických surovin do silikonového oleje a jeho chemickým zpracováním.
- Na rozdíl od tepelného silikonového tuku však existuje určitá viskózní látka v chemických surovinách přidaných, takže hotový tepelný silikon má určitou lepicí sílu.
- Největším rysem tepelně vodivého silikonu je to, že je po zhoršení těžké a jeho tepelná vodivost je o něco nižší než u tepelně vodivého silikonového tuku.
- Tepelně vodivý silikon se snadno „nalepí“ na zařízení a chladič (důvod, proč se nedoporučuje být použit na CPU), takže vhodné silikonové těsnění by mělo být vybráno podle struktury produktu a charakteristik rozptylu tepla.
3. Tepelně vodivý silikonový list
- Měkké silikonové tepelné izolační těsnění má dobrou tepelnou vodivost a vysoké napětí stupně - izolace rezistentního.
- Tepelná vodivost těsnění se pohybuje od 1 do 8 W/MK a hodnota odporu nejvyššího napětí je nad 10 kV.
- Je to náhrada za tepelné vodivé výrobky na silikonové mazivo a je nejlepším produktem pro binární chladicí systémy.
- Samotný materiál má určitý stupeň flexibility, který dobře zapadá mezi napájecí zařízení a tepelným rozptylujícím hliníkovým listem nebo skořápkou stroje, aby bylo dosaženo nejlepšího vedení tepla a rozptylu tepla.
- Splňuje současné požadavky elektronického průmyslu pro tepelné materiály.
- Tento typ produktu může být podle libosti snížen, což vede k automatické výrobě a údržbě produktu.
- Tloušťka silikonové tepelné izolační podložky se pohybuje od 0,5 mm do 10 mm.
- Je speciálně vyráběn pro schéma návrhu použití mezery k přenosu tepla.
- Může vyplnit mezeru, dokončit přenos tepla mezi topnou částí a částí rozptylu tepla a také hrát roli absorpce, izolace a těsnění šoků.
- Může splnit požadavky na návrh miniaturizace a ultra-ředění sociálního vybavení.
- Je to nový materiál s velkou výrobní a použitelností.
- Výkonnost zpomalení hoření a ohnivzdorných výkonu splňuje požadavky U.L 94V-0 a splňuje certifikaci ochrany životního prostředí EU SGS.
4. Syntetické grafitové vločky
- Tento druh tepelně vodivého média je relativně vzácný a obecně se používá u některých objektů, které vytvářejí méně tepla.
- Přijímá grafitový kompozitní materiál po určitém chemickém ošetření, má vynikající účinek na vodivosti tepla a je vhodný pro systém disipace tepla elektronických čipů, CPU a dalších produktů.
- V raných procesorech P4 Intel Boxed P4 byla látka připojená ke dnu radiátoru grafitová tepelná podložka zvaná M751.
Kromě výše uvedených běžných tepelně vodivých médií se používají také hliníkové fóliové tepelně vodivé těsnění a fázově měnící tepelně vodivé těsnění (s ochranným filmem).
Tepelně vodivá lepidla
Tepelně vodivá lepidla se primárně používají k odvodu tepla z výkonové elektroniky. Používají se především pro lepení chladičů, LED diod a dalších elektronických součástek generujících teplo.
K výrobě tepelně vodivých lepidel se používají syntetické pryskyřice s plnivovými složkami z kovových a anorganických materiálů. Kovová plniva, jako je stříbro nebo grafit, nabízejí nejlepší koeficienty tepelné vodivosti. Tyto vlastnosti však činí lepidlo elektricky vodivým, což je v různých aplikacích nežádoucí.
Čtěte také: Vlastnosti asfaltových hydroizolací
1. Epoxidová lepidla
- Epoxidová lepidla jsou vyrobena ze směsi dvou složek, především pryskyřice a tvrdidla.
- Když se pryskyřice smíchá s vhodným katalyzátorem, zahájí se vytvrzování.
- Vytvrzování je proces, při kterém molekulární řetězce reagují s chemicky aktivními místy, což vede k exotermické reakci.
- Určité rozdíly ve vlastnostech mechanické pevnosti nastávají řízením podmínek vytvrzování s teplotou a volbou pryskyřice a tvrdidel.
- Epoxidová lepidla se používají především jako jednosložkové nebo dvousložkové systémy.
- Jednosložková epoxidová lepidla lze vytvrzovat při teplotách cca 120-150 °C.
- Stejně jako lepicí páska mohou epoxidová lepidla poskytovat vynikající tepelnou a elektrickou izolaci, díky čemuž jsou vynikajícími chladiči pro tranzistory, součástky, pouzdra a desky plošných spojů.
- Příkladem je skelná tkanina impregnovaná epoxidovou pryskyřicí.
- Stejně jako lepicí pásky se epoxidové předlisky často nanášejí ručně. I když se snadno instalují, vyžadují ruční polohování operátorem. Proces, který je přívětivý pro obsluhu, může být proto na úkor celkové propustnosti produktu.
- Lepicí pasty z epoxidové pryskyřice by měly být prozkoumány, protože umožňují automatizaci hromadné výroby. Jsou nejběžněji používanou látkou pro lepení komponentů.
2. Silikonová lepidla
- Silikonové lepidlo je všestranný, voděodolný polymer, jehož hlavní složkou je oxid křemičitý, který se nachází především v křemeni.
- Termín silikon primárně odkazuje na skupinu polymerů, které mají siloxanovou vazbu s organickými sloučeninami.
- Výroba silikonových lepidel začíná především izolací křemíku z oxidu křemičitého.
- Díky speciálním vlastnostem je křemík velmi odolný. Navíc elasticita a další vlastnosti oxidu křemičitého zůstávají nezměněny při jakékoli teplotě.
- Silikonová lepidla se primárně vyrábějí izolací oxidu křemičitého od křemíku. Oxid křemičitý se obecně vyskytuje v čisté formě v určitých minerálech.
- Silikonová lepidla a tmely jsou primárně vyrobeny z polymerovaného silikonu.
- Když silikon není vytvrzený, tvoří vysoce lepivý gel i kapalinu.
- Použití je zcela bezpečné a používá se v různých aplikacích, které jsou většinou netoxické. Existují různé typy silikonových lepidel.
3. Polyuretanová lepidla
- Polyuretanová lepidla jsou primárně termoplastická lepidla nebo polymery obsahující repliky organických řetězových jednotek spojených primárně uretanovými články.
- Chemická reakce mezi polymery vede k vytvoření lepidla.
- Obecně jsou polyuretanová lepidla převážně hnědá nebo průhledná. Pigmenty jako zelená nebo červená barva mohou být přidány hlavně pro účely aplikace, jako je stříkání, aby byly viditelné v oblastech aplikace.
- Používají se ve stavebnictví, výrobě nábytku, laminování, podlahových krytin a střešních krytin, letectví a chladírenských skladů.
- Polyuretanová lepidla jsou k dispozici především jako dvousložkové lepidlo nebo jako jednosložkové lepidlo.
- Dvousložkové lepidlo obvykle vytvrzuje mnohem rychleji než jednosložková varianta a trvá asi 30 minut, v závislosti na požadavku.
- Polyuretanová lepidla jsou tmely, které mohou vytvrdnout i za obtížných podmínek, jako je teplo a vlhkost.
- Kromě toho jsou polyuretanová lepidla vhodná i na různé materiály, jako je kov, dřevo, beton, pryž, epoxidová pryskyřice a sklo.
- Je také důležité vědět, že PUR lepidla jsou poměrně vodotěsná; nicméně odolnost vůči vodě se obecně liší podle složení.
- Polyuretanová lepidla jsou navíc šetrná k životnímu prostředí, protože neobsahují rozpouštědla a mají velmi nízkou hodnotu VOC.
- Polyuretanová lepidla nebo PU lepidla jsou velmi univerzální a mají nejlepší vlastnosti.
- Jsou také upraveny tak, aby poskytovaly vlastní vzorce, které lze vyvinout na základě konkrétních aplikací. To zahrnuje schopnost měnit fyzikální vlastnosti, jako je viskozita, a aplikační vlastnosti, jako je doba zpracovatelnosti.
- Chemická reakce mezi isokyanátem a polyolem slouží jako základ pro všechny polyuretanové tmely a lepidla.
- Pro 2K systémy jsou isokyanát a polyol vyráběny a dodávány samostatně. Aby došlo k zahájení chemické reakce a správnému provázání systému, musí se obě složky těsně před použitím smíchat.
- Naproti tomu jednosložkové systémy při výrobě polyuretanových lepidel se vyrábějí převážně s polyolem, který reaguje s přebytkem izokyanátu, takže polyolový řetězec může být ukončen izokyanátovou skupinou.
- Poměr isokyanátu a polyolu určuje délku řetězce koncového polyuretanového polymeru. Pro dokončení reakce musí 1K systém interagovat s vodou, aby došlo k úplnému zesíťování.
Aplikace tepelně vodivých lepidel
Tepelně vodivá lepidla se primárně používají pro zalévání, potahování a jiné aplikace zapouzdření.
- Lepení chladičů: Určité součásti tepelně vodivých epoxidových a silikonových sloučenin se primárně používají k lepení chladičů na elektronické součástky a desky s obvody pro odvod tepla. Primárně jsou navrženy tak, aby zabránily přehřátí a předčasnému selhání součástí.
- Zalévání a zapouzdření senzorů: Tepelně vodivá lepidla se také používají pro zalévání a zapouzdření senzorů. Používají se především proto, že mohou být pevně spojeny s různými materiály a také poskytují ochranu před různými chemikáliemi. Použití tepelně vodivých lepidel pro zalévání a zapouzdření poskytuje formulacím dodatečnou ochranu před vlhkostí a různými typy korozivních činidel. Poskytuje vyšší úroveň ochrany před jakýmkoli typem vlhkosti a také před korozivními činidly, jako jsou vibrace, nárazy, hromadění tepla a další.
- Technologie čipových obalů: Technologie čipových obalů se používají hlavně pro elektronické produkty a jejich popularita je vysoká kvůli rostoucí poptávce po kompaktních a přenosných elektronických systémech.
Tepelně vodivé lepidlo vs. Tepelné mazivo
Tepelné mazivo, také známé jako tepelné mazivo nebo tepelná pasta, je látka používaná ke zlepšení přenosu tepla mezi dvěma povrchy, obvykle mezi mikroprocesorem a chladičem. Většina mikroprocesorů nemá úplně plochou horní část. Některé obsahují drobné drážky, zatímco jiné mají mírné vyboulení, které vytváří vzduchové mezery mezi CPU a chladičem, které snižují chladicí výkon chladiče.
Protože tepelná pasta je elektricky izolační a tepelně vodivá, lze ji použít prakticky v jakékoli elektronické aplikaci, která vyžaduje spojení mezi komponenty tepelného managementu. Tyto vlastnosti však vyžadují specifické chemické složení. Tepelná a elektrická vodivost maziva je určena poměrem mezi těmito dvěma složkami. Tepelná pasta se také může chovat jako lepidlo v závislosti na polymerní chemii kapalné matrice. Kvůli svým lepivým vlastnostem někteří výrobci označují tepelnou pastu jako „tepelné lepidlo“.
Tepelná lepidla se dodávají v různých tvarech a velikostech, včetně tuhé pásky, která poskytuje rychlou fixaci pro adhezi v situacích s nízkou tepelnou vodivostí. V současné době se k připevnění používají tepelně vodivá lepidla ve formě pásků nebo kapalin a také nevodivá lepidla. První zahrnují silikony, epoxidy a akryláty, zatímco druhé zahrnují tepelně vodivé podložky nebo tuky. Ve spojení s podložkami lze použít lepidla nebo mechanické spojovací prvky. Některé podložky jsou dodávány s lepidly citlivými na tlak pro snadnou montáž, zatímco jiné se připevňují pomocí klipů.
Tepelně vodivé mazivo, stejně jako některé podložky, musí být používáno s kovovými sponami. Držáky, které jsou obvykle vyrobeny z nerezové oceli, umožňují snadné připevnění a jsou odolné i proti nejdrsnějším nárazům a vibracím. Nejtypičtější aplikací jsou mikroprocesory.
Čtěte také: Cihly s tepelnou izolací
Důležité faktory při výběru lepidla
Lepidla mohou podporovat širokou škálu aplikačních segmentů a poskytovat výkonové charakteristiky potřebné pro výrobní kompatibilitu, strukturální podporu a ochranu. Lepidla, například, musí být schopna během výroby volně téci, aby se zabránilo tvorbě dutin, a zároveň musí mít krátké doby vytvrzování, aby se celý proces urychlil.
Ve skutečnosti může být rozhraní mezi čipem a stranou obalu vystaveno některému z nejzávažnějších namáhání v elektronické sestavě. Když jsou dva různé materiály spojeny dohromady, mohou změny v jejich koeficientech tepelné roztažnosti (CTE) způsobit napětí a napětí, které může vazbu oslabit nebo dokonce přerušit. I při běžném provozu zařízení může docházet ke kolísání teploty, které toto spojovací rozhraní dále namáhá.
S rostoucí poptávkou po lepším tepelném managementu hledají inženýři lepidla, která efektivněji odvádějí teplo z citlivých součástí a kompletních sestav. Tepelné vlastnosti lepidel jsou často specifikovány z hlediska tepelné vodivosti, která popisuje schopnost materiálu přenášet teplo skrz sebe. Vnitřní schopnosti přenosu tepla, popsané kritérii tepelné vodivosti, jsou pouze částí hlavního cíle pro inženýra. Praktičtější vlastností u typické montáže výrobku je tepelný odpor materiálu. Tloušťka vazby a typ povrchů, které se setkávají na rozhraní vazby, mohou bránit přenosu tepla v jakékoli sestavě produktu, ať už se jedná o čip, který je připojen k obalu, nebo součást, která je připojena k chladiči. Podle Fourierovy rovnice pro vedení tepla je rychlost tepelného toku prostředím nepřímo úměrná tloušťce média. Výrobci se proto při spojování materiálů snaží o co nejmenší spojovací linie. Ve skutečnosti je tenká spojovací linie výhodnější než velká, protože nejen snižuje tepelný odpor, ale také snižuje napětí v rozích spojovací linie.
Tepelně vodivá lepidla již dlouho hrají důležitou roli ve výrobě elektroniky a podle trendů v oboru poptávka po tepelně vodivých materiálech roste. Inženýři potřebují materiály, které mohou odvádět více tepla z moderních elektrických zařízení pro rychle se rozvíjející průmyslová odvětví, jako je špičková elektronika, LED osvětlení a další.
Tipy pro práci s tepelně vodivým lepidlem
- Míchání a měření: Před vážením nebo dávkováním je důležité všechny produkty promíchat. Nejprve zkuste před smícháním pečlivě zvážit jak pryskyřice, tak tvrdidla nebo prášky a pojiva do samostatných nádob.
- Výběr lepidla a příprava povrchu: Vyberte lepidlo s koeficientem tepelné roztažnosti, který je přizpůsoben lepeným materiálům. Pokud je to možné, zvolte pružný epoxid. Pokuste se před lepením odstranit nečistoty, oleje a mastnotu a povrch mechanicky zdrsnit.
- Ředění lepidel: Většina výrobců doporučuje pro ředění lepidel komerčně dostupný ředící prostředek, protože jeho použití je relativně snadné.
- Zamezení nadbytku aktivátoru/vody: Přebytek aktivátoru nebo další voda aplikovaná na nevytvrzené směsi při použití keramických materiálů může mít za následek popraskané a slabé odlitky, zapouzdření nebo lepené spoje. Zkontrolujte směšovací poměr použitý při míchání složek.
Ukázka produktů
Na trhu je k dispozici široká škála tepelně vodivých produktů, zde je několik příkladů:
Čtěte také: Rozměry a postup betonáže základu pro tepelné čerpadlo
| Název produktu | Popis | Typ |
|---|---|---|
| DC 340 Dow Corning | Teplovodivá pasta - heat sink compound - pro odvod tepla např. z polovodičových... | Tepelně vodivá pasta |
| Dowsil SE 4420 | Jednosložkové, bílé, vlhkostí vytvrzované vzdušnou vlhkostí, tekuté, tepelně vodivé silikonové... | Silikonový tmel |
| Dowsil TC-5351 | Jednosložková šedá a nevytvrzující tepelně vodivá pasta (silikonová). Při použití se rychle vytvrzuje do podoby vysokopevnostní... | Silikonová pasta |
| MC62 - W342 | Epoxidová zalévací hmota MC62-W342 pro zalévání elektrických a elektronických dílů. Dvousložkový... | Epoxidová zalévací hmota |
| MC62 - W363 | Epoxid MC62-W363 je určen pro zalévání elektrických a elektronických dílů, traf, zapalovačů, ponorných... | Epoxidová zalévací hmota |
| MC62-W360 | Zalévací epoxid MC62-W360 je určen pro zalévání elektrických a elektronických dílů, traf, zapalovačů,... | Epoxidová zalévací hmota |
| MC622 - W342 | Epoxid MC622-W342 pro zalévání elektrických dílů, transformátorů, elektrických motorů, ponorných... | Epoxidová zalévací hmota |
| MC622 - W360 | Epoxidová zalévací hmota MC622-W360 pro zalévání elektrických dílů (transformátorů, elektrických... | Epoxidová zalévací hmota |
| MC622 - W363 | Epoxidová pryskyřice MC622-W363 pro zalévání malých komponentů, utěsňování. Neobsahuje halogeny. Vysoká... | Epoxidová pryskyřice |
| MC622 - W500 | Epoxidová pryskyřice MC622-W500 pro zalévání elektroniky, diod LED’s, desek plošných spojů,... | Epoxidová pryskyřice |
| Sylgard 160 | Silikonový kaučuk Sylgard 160 je speciálně navržen pro aplikace v elektronice a podobně, kde je... | Silikonový kaučuk |
| Sylgard Q3-3600 | Sylgard Q3-3600 Dow Corning je teplovodivý dvousložkový silikonový kaučuk. Tento silikon je speciálně... | Dvousložkový silikonový kaučuk |
| TC5021 Dow Corning | Silikonový materiál ve formě vazelíny obsahující velké množství tepelně vodivých... | Silikonová vazelína |
| Teplovodivá folie | Teplovodivá oboustranně lepivá folie pro elektroniku. Nalepí se na rozhraní mezi chladičem a výkonovou... | Teplovodivá fólie |
| TSE 3941 | Silikonové lepidlo a těsnicí tmel TSE3941 je jednosložkový a samozhášivý, neroztékavý, tixotropní, s... | Silikonové lepidlo/tmel |
Experiment s tepelnou vodivostí
K demonstraci rozdílné tepelné vodivosti kovů lze provést jednoduchý experiment.
Postup:
- Měděný, hliníkový i mosazný plech o shodných rozměrech a tloušťce 0,3 mm upevníme rovnoběžně vedle sebe a ve svislé poloze uchytíme do laboratorního stojanu tak, aby byly dolní konce plechů ve výšce několika centimetrů nad stolem.
- Na plechy nalepíme termocitlivé folie (např. vratné teplotní nálepky), které mění svoji barvu v závislosti na teplotě (např. černá pod 25 °C, hnědá, zelená, modrá až sytě modrá v intervalu 25-30 °C, opět černá nad 30 °C).
- Ponoříme dolní konce plechů do nádoby s teplou vodou (postačuje 60 °C).
- Pozorujeme, jak termocitlivé folie mění svoji barvu.
Vzorový výsledek:
Je patrné, že nejdynamičtěji se prohřívá měděný plech, následovaný hliníkovým a mosazným.
Upřesnění teorie - o tepelné difuzivitě:
Pokud bychom chtěli být zcela přesní, popisuje rozložení teploty nikoliv tepelná vodivost, ale teplotní vodivost, také někdy označovaná jako tepelná difuzivita $\alpha$, $[\alpha] = \text{m}^2\cdot\text{s}^{-1}$.
\[\alpha\,=\,\frac{\lambda}{c\varrho}\]
Čím je hodnota tepelné difuzivity vyšší, tím lépe je homogenní látka schopna vyrovnávat rozdíly teploty ve svém objemu při neustálém šíření tepla vedením.
Alternativní provedení experimentu (ochlazování):
Efekt rozdílné tepelné vodivosti můžeme demonstrovat nejen na zahřívání, ale také na ochlazování kovů. Všechny tři kovy necháme nahřát například na topení, dokud nebudou všechny termocitlivé folie tmavě modré. Poté ponoříme dolní konce plechů do nádoby se směsí vody a ledu. Při interpretaci tohoto rozšíření pokusu bychom si měli dát pozor na to, aby nevznikl dojem, že je z ledu „nasáván“ chlad - vždy je třeba interpretovat pokles teploty jako odebírání tepla.
Alternativní provedení experimentu (tání ledu):
Měděný, hliníkový a mosazný plech položíme na stůl a do středu každého z nich umístíme kostku ledu. Sledujeme, jak rychle jednotlivé kostky tají. Je patrné, že nejrychleji taje led na měděném plechu, nejpomaleji pak na plechu mosazném.
tags: #tepelne #vodive #tmel #v #potravinarstvi