Isıl iletkenlik
Isıl iletkenlik, elektronik sistemlerde oluşan ısının komponentten soğutucu yüzeye ve oradan çevreye ne kadar etkin aktarılabildiğini anlamak için kullanılan temel teknik parametrelerden biridir. Endüstri Teknik, elektronik ısı yönetimi uygulamalarında yalnızca termal malzemenin katalog değerine bakılmasını yeterli görmez; termal direnç, termal arayüz kalınlığı, yüzey pürüzlülüğü, montaj basıncı, heat sink geometrisi ve temas direnci birlikte değerlendirilmelidir. Bir termal compound yüksek iletkenlik değerine sahip olsa dahi yanlış miktarda uygulanırsa, komponent ile soğutucu arasında gereğinden kalın bir tabaka oluşturursa veya yüzey temasında hava boşlukları bırakırsa sistemden beklenen ısı transferi sağlanamayabilir.
Elektronik cihazlarda güç yoğunluğu arttıkça termal yönetimin önemi de büyür. Transistörler, güç modülleri, işlemciler, regülatörler ve farklı elektronik bileşenler çalışma sırasında elektrik enerjisinin bir bölümünü ısıya dönüştürür. Bu ısının komponent üzerinde birikmesi çalışma sıcaklığını yükseltebilir ve elektronik sistemin uzun dönemli davranışını etkileyebilir.
Heat sink kullanımındaki temel amaç, oluşan ısıyı daha geniş bir yüzeye taşıyarak çevreye verilmesini kolaylaştırmaktır. Bununla birlikte komponent tabanı ile metal soğutucunun yüzeyi çıplak gözle düzgün görünse bile mikroskobik ölçekte tam temas oluşmaz. İki yüzey arasında hava bulunan küçük boşluklar kalır.
Termal arayüz malzemeleri bu mikro boşlukları doldurmak için kullanılır. Bu noktada termal macunun görevi iki yüzey arasına kalın bir katman yerleştirmek değil, mümkün olduğunca ince bir ara tabakayla hava boşluklarını ortadan kaldırmaya yardımcı olmaktır.
Isıl iletkenlik termal yönetimde neyi ifade eder?
Isıl iletkenlik bir malzemenin ısı enerjisini kendi yapısı içerisinde iletebilme yeteneğini ifade eder. Teknik değerlendirmelerde çoğunlukla W/mK birimi kullanılır.
Değer yükseldikçe aynı geometri ve aynı sıcaklık farkında malzemenin ısıyı iletme kabiliyeti de artar. Ancak elektronik termal arayüz uygulamalarında yalnızca W/mK değerine bakılarak ürün seçilmesi eksik bir değerlendirme oluşturur.
Çünkü gerçek sistemde ısı yalnızca termal compound içerisinden geçmez.
Komponent paketinden başlar.
Termal arayüz bölgesinden ilerler.
Heat sink içerisine geçer.
Soğutucu yüzeyinde yayılır.
Daha sonra doğal taşınım, zorlanmış hava akışı veya sistemde kullanılan başka bir soğutma mekanizmasıyla çevreye aktarılır.
Bu zincirin herhangi bir noktasındaki yüksek direnç, toplam sıcaklık performansını etkileyebilir.
Örneğin oldukça yüksek iletkenliğe sahip bir termal malzeme gereğinden kalın uygulanırsa ısının bu ara katman içerisinde kat etmesi gereken yol uzar. Daha düşük iletkenlik değerine sahip ancak çok daha ince ve kontrollü uygulanabilen başka bir termal arayüz bazı tasarımlarda farklı sonuç gösterebilir.
Dolayısıyla katalog rakamını tek başına sıralamak yerine gerçek montajdaki termal davranış değerlendirilmelidir.
Endüstri Teknik, elektronik ısı yönetimi ihtiyaçlarında ürünün yalnızca teorik değerini değil, heat sink ile komponent arasındaki gerçek kullanım şeklini dikkate alan bir yaklaşımı önemser.
Isıl iletkenlik ile termal direnç arasındaki ilişki
Isıl iletkenlik ile termal direnç birbiriyle yakından ilişkili olsa da aynı teknik kavram değildir.
İletkenlik malzemenin kendi fiziksel özelliğini anlatırken termal direnç, belirli bir yapının veya termal yolun ısı geçişine ne ölçüde karşı koyduğunu ifade eder.
Termal direnç değerlendirilirken yalnızca malzemenin kimyası değil, kalınlık ve yüzey alanı da önem kazanır.
Aynı termal compound iki farklı kalınlıkta kullanıldığında aynı termal direnç oluşmayabilir.
Benzer şekilde aynı kalınlıktaki malzemenin daha geniş temas yüzeyinde kullanılması sistem davranışını değiştirebilir.
Bu nedenle elektronik uygulamalarda “termal iletkenliği daha yüksek olan ürün kesin olarak daha düşük komponent sıcaklığı oluşturur” şeklinde tek başına bir sonuç çıkarılmamalıdır.
Gerçek montajdaki termal direnç zinciri incelenmelidir.
Komponent içindeki junction-to-case direnci olabilir.
Case ile termal arayüz arasındaki temas direnci bulunabilir.
Termal arayüz malzemesinin kendi direnci vardır.
Heat sink içerisinde iletim direnci bulunur.
Heat sink ile ortam arasındaki ısı transferi ayrıca bir direnç meydana getirir.
Bu dirençlerin toplamı, komponent üzerinde oluşan ısının çevreye ne kadar rahat taşınabileceğini belirler.
Dolayısıyla elektronik soğutma problemini yalnızca termal macun değiştirerek çözmek her zaman mümkün değildir.
Soğutucu küçükse, hava akışı yetersizse veya komponent heat sink üzerine doğru monte edilmemişse yüksek performanslı bir arayüz malzemesi tek başına bütün sistemi düzeltemeyebilir.
Termal direnç neden önemlidir?
Elektronik tasarımda amaç yalnızca ısının hareket etmesini sağlamak değildir. Komponentin izin verilen sıcaklık sınırlarında tutulması gerekir.
Bir güç komponenti belirli miktarda ısı üretiyorsa toplam termal direnç yükseldikçe sıcaklık farkı da büyüyebilir.
Bu nedenle termal direnç tasarımın hesaplanabilir bir parametresi haline gelir.
Özellikle yüksek güç yoğunluklu elektroniklerde küçük bir temas problemi dahi komponent sıcaklığında gözle görülür fark oluşturabilir.
Termal macunun yüzeyde bazı bölgeleri kaplamaması lokal hava cepleri bırakabilir.
Soğutucu yüzey eğriyse tam mekanik temas oluşmayabilir.
Montaj basıncı düşükse termal compound olması gereken kadar ince bir katmana yayılamayabilir.
Montaj basıncı gereğinden yüksekse hassas elektronik paket veya PCB mekanik olarak zorlanabilir.
Bütün bu parametreler birlikte değerlendirilmelidir.
Termal direnç yalnızca laboratuvar ölçüm sonucu değildir. Elektronik cihazın gerçek montaj kalitesinin de göstergelerinden biri olabilir.
Isıl iletkenlik tek başına ürün seçmek için yeterli midir?
Isıl iletkenlik önemli bir teknik veri olmasına rağmen termal arayüz malzemesi seçimini tek başına belirlememelidir.
İlk olarak uygulama boşluğu değerlendirilmelidir.
Komponent ile heat sink neredeyse doğrudan temas ediyorsa termal compound gibi ince bond line oluşturabilen bir malzeme düşünülebilir.
İki yüzey arasında belirgin fiziksel boşluk varsa klasik termal macunu kalın tabaka halinde kullanmak doğru olmayabilir. Böyle durumlarda daha kalın kesitler için geliştirilmiş termal gap filler sistemleri incelenebilir.
İkinci kriter malzemenin viskozitesidir.
Yüksek viskoziteli compound yüzeyde kontrollü kalabilir ancak otomatik dispensing sistemi farklı ekipman gerektirebilir.
Üçüncü kriter kürlenme yapısıdır.
Bazı termal bileşikler kürlenmezken bazıları elastomer veya yapıştırıcı haline dönüşebilir.
Dördüncü kriter mekanik sabitlemedir.
Kürlenmeyen termal compound komponenti heat sink üzerine yapıştırmaz. Parçanın fiziksel olarak tutulması için ayrı mekanik montaj sistemi gerekir.
Beşinci kriter servis ihtiyacıdır.
Kürlenmeyen compound bulunan montaj daha sonra sökülebilir ve termal malzeme yenilenebilir. Kalıcı termal adhesive kullanılan sistemde rework süreci daha farklıdır.
Altıncı konu sıcaklık aralığıdır.
Termal arayüz ürünü komponentin gerçek çalışma sıcaklığına uyumlu olmalıdır.
Bu nedenle Endüstri Teknik, ürün değerlendirmesinde tek bir teknik rakam yerine bütün termal arayüz tasarımını dikkate alır.
Termal arayüz kalınlığı neden kritik bir parametredir?
Termal arayüz kalınlığı, komponent ile heat sink arasında kalan termal malzemenin gerçek kalınlığıdır. Endüstriyel teknik literatürde bond line thickness olarak da değerlendirilir.
Termal compound uygulamasında hedef çoğunlukla mümkün olduğunca ince fakat kesintisiz bir ara katman oluşturmaktır.
Bunun nedeni açıktır.
Termal malzemenin görevi hava boşluğunu değiştirmektir.
Metal heat sink’in yerini almak değildir.
Komponent tabanı ile metal yüzey birbirine ne kadar yakınsa, termal compound’un kat etmesi gereken mesafe de o kadar kısa tutulabilir.
Burada “mümkün olduğunca ince” ifadesi ürünün tamamen sıkılarak arayüzden çıkarılması anlamına gelmez.
Mikroskobik boşlukları dolduracak yeterli miktarda malzemenin bağlantıda kalması gerekir.
Çok az ürün kullanılırsa kuru noktalar oluşabilir.
Çok fazla ürün kullanılırsa termal arayüz kalınlığı gereksiz büyüyebilir.
İdeal miktar gerçek komponent üzerinde yapılan proses ve sıcaklık doğrulamasıyla belirlenmelidir.
Seri üretimde dozaj hacmi standardize edilerek her parçada daha benzer bond line elde edilmesi mümkün olabilir.
Isıl iletkenlik ve arayüz kalınlığı birlikte nasıl düşünülmelidir?
Isıl iletkenlik ve termal arayüz kalınlığı birlikte değerlendirilmediğinde yanlış ürün karşılaştırmaları yapılabilir.
Örneğin yüksek W/mK değerine sahip bir malzeme 1 mm kalınlıkta kullanılırken daha düşük W/mK değerindeki bir compound 0,05 mm seviyesinde çalışabiliyorsa yalnızca malzeme iletkenliği üzerinden karşılaştırma yapmak yeterli olmayabilir.
Gerçek termal direnç geometriden etkilenir.
Bu nedenle termal macun, termal pad, gap filler ve termal yapıştırıcı gibi ürün sınıfları birbirlerinin doğrudan alternatifi değildir.
Termal macun çok ince yüzey aralıklarında kullanılır.
Termal pad belirli bir fiziksel mesafeyi karşılayabilir.
Gap filler daha büyük boşlukları doldurmak üzere tasarlanabilir.
Termal adhesive ise bazı uygulamalarda hem ısı aktarımı hem mekanik bağ oluşturabilir.
Bu ürünleri yalnızca W/mK değerine göre sıralamak doğru seçim yapılmasını sağlamaz.
Önce geometrinin hangi ürün sınıfına ihtiyaç duyduğu belirlenmelidir.
Temas direnci nedir?
Temas direnci, iki katı yüzey arasındaki gerçek temasın ideal olmamasından kaynaklanan termal dirençtir.
İki metal parça birbiri üzerine yerleştirildiğinde tüm nominal yüzey birbirine değmez.
Mikroskobik tepecikler temas eder.
Diğer bölgelerde küçük hava boşlukları kalır.
Bu hava bölgeleri ısı transferini sınırlar.
Termal interface compound bu boşlukları doldurarak yüzeyler arasındaki termal temasın iyileştirilmesine yardımcı olur.
Bu nedenle termal macunun temel görevi yalnızca yüksek termal iletken bir malzeme tabakası oluşturmak değildir.
Asıl işlevlerinden biri hava bulunan temas noktalarını termal açıdan daha uygun bir malzemeyle değiştirmektir.
Yüzey pürüzlülüğü arttıkça temas karakteri değişebilir.
Ancak bu durum her zaman daha fazla termal compound kullanılması gerektiği anlamına gelmez.
Heat sink yüzeyinin mekanik kalitesi de iyileştirilebilir.
Yüzey düzgünlüğü,
flatness,
pürüzlülük,
montaj kuvveti,
termal arayüz malzemesi
birlikte çalışır.
Yüzey pürüzlülüğü ısı transferini nasıl etkiler?
Çıplak gözle ayna gibi görünen metal yüzey dahi mikroskobik ölçekte tamamen düzgün değildir.
Yüzey üzerinde tepeler ve çukurlar bulunur.
İki yüzey birleştirildiğinde çoğunlukla yalnızca bu tepe bölgeleri birbirine temas eder.
Gerçek temas alanı, görünen geometrik temas alanından daha küçük olabilir.
Termal compound çukur bölgelerdeki havayı doldurarak daha sürekli bir termal yol meydana getirmeye yardımcı olur.
Ancak büyük yüzey eğrilikleri termal macunla düzeltilmemelidir.
Örneğin komponent tabanı ile heat sink arasında 1 mm mekanik açıklık bulunuyorsa bu bir mikroskobik yüzey düzensizliği değildir.
Termal compound’un büyük gap filler gibi kullanılması doğru olmaz.
Bu nedenle üretim veya tasarım hatası ile termal interface ihtiyacı birbirinden ayrılmalıdır.
Montaj basıncı temas direncini nasıl değiştirir?
Komponent heat sink üzerine monte edildiğinde uygulanan mekanik kuvvet iki yüzeyin birbirine yaklaşmasına yardımcı olur.
Termal compound yüzeyde yayılır.
Fazla malzemenin bir bölümü kenarlara hareket edebilir.
Bond line incelir.
Mikroskobik temas alanı artabilir.
Bunun sonucunda temas direnci değişebilir.
Ancak “daha fazla baskı her zaman daha iyidir” yaklaşımı doğru değildir.
Elektronik komponent paketlerinin mekanik limitleri vardır.
PCB eğilebilir.
Seramik paket çatlayabilir.
Lehim bölgeleri gerilebilir.
Vida veya clamp mekanizması üretici tarafından belirlenen sınırlar içerisinde kullanılmalıdır.
Bir ürünün TDS’sinde belirli bir psi değerinde termal direnç ölçülmüş olması, gerçek montajın tam olarak o basınçla yapılması gerektiği anlamına gelmez.
Test koşulu ile montaj gereksinimi birbirinden ayrılmalıdır.
Termal macun neden kalın boşluk doldurmak için kullanılmamalıdır?
Termal macunlar çoğunlukla ince arayüzler için geliştirilir.
Macunun termal iletkenliği havadan yüksektir ancak metal heat sink’ten genellikle çok daha düşüktür.
Büyük fiziksel boşluğu tamamen macunla doldurmak ısı yolunun önemli bölümünü metal yerine compound üzerinden geçirmek anlamına gelir.
Bu durum termal direnç açısından istenmeyebilir.
Ayrıca yüksek viskoziteli bir ürün büyük hacimde stabil kalmak üzere tasarlanmamış olabilir.
Servis sırasında malzeme pompalama, hareket etme veya çevrede birikme davranışı gösterebilir.
Büyük boşluk söz konusuysa uygun kalınlık aralığına sahip gap filler veya termal pad sınıfı değerlendirilmelidir.
Ürün sınıfı doğrudan mekanik geometriden seçilmelidir.
Isı transferi yalnızca termal arayüzde mi gerçekleşir?
Hayır. Isı transferi elektronik cihazdan çevreye kadar kesintisiz bir zincirdir.
Termal interface yalnızca bu zincirin bir bölümüdür.
Komponent içerisindeki yarı iletken junction bölgesinde ısı oluşabilir.
Isı paket gövdesine ilerler.
Paket tabanından termal arayüz malzemesine geçer.
Arayüzden heat sink’e aktarılır.
Heat sink içerisinde yayılır.
Son olarak hava veya başka bir soğutma ortamına aktarılır.
Heat sink üzerine fan takılmışsa zorlanmış konveksiyon devreye girer.
Sistem sıvı soğutmalıysa başka bir termal yol oluşur.
Dolayısıyla komponent sıcaklığı beklenenden yüksek olduğunda yalnızca termal macun suçlanmamalıdır.
Heat sink’in yetersiz olması,
fanın düşük debide çalışması,
toz birikimi,
hava çıkışının kapalı olması,
termal compound’un yanlış uygulanması,
montaj basıncının yetersiz olması
gibi birçok neden bulunabilir.
Sorun sistematik değerlendirilmelidir.
Isıl iletkenlik karşılaştırmasında W/mK neden tek başına yanıltıcı olabilir?
Isıl iletkenlik değerleri ürünleri teknik açıdan anlamak için önemlidir ancak farklı ürün sınıflarını tek başına karşılaştırmak için yeterli olmayabilir.
Örneğin bir termal pad 5 W/mK olabilir.
Bir compound daha düşük W/mK değerine sahip olabilir.
Ancak termal pad 1 mm kalınlığında, compound ise çok daha ince kullanılabilir.
Gerçek sistemin termal direnci bu geometrilere göre oluşur.
Benzer şekilde termal adhesive’ın iletkenliği yüksek olabilir ancak ürün kürlendikten sonra mekanik olarak kalıcı bağ oluşturur.
Servis edilmesi gereken cihazda bu özellik istenmeyebilir.
Bir termal arayüz malzemesinin değerlendirilmesinde şu kriterler birlikte incelenmelidir:
- Termal iletkenlik
- Kullanılacak gerçek kalınlık
- Temas alanı
- Temas direnci
- Montaj basıncı
- Çalışma sıcaklığı
- Elektriksel izolasyon ihtiyacı
- Kürlenme davranışı
- Rework gereksinimi
- Yüzey geometrisi
Bu çerçeve ürün seçiminde daha gerçekçi sonuç verir.
Termal direnç üretimde nasıl doğrulanır?
Laboratuvar TDS değerleri ürünlerin karşılaştırılması için önemli başlangıç verileridir.
Ancak nihai elektronik sistemin sıcaklık performansı gerçek montaj üzerinde doğrulanmalıdır.
Öncelikle referans ürün oluşturulabilir.
Komponent üzerine belirlenen miktarda termal compound uygulanır.
Heat sink tanımlanan mekanik bağlantıyla monte edilir.
Elektronik cihaz belirli yükte çalıştırılır.
Komponent sıcaklığı stabilize olana kadar beklenir.
Ortam sıcaklığı kayıt altına alınır.
Heat sink sıcaklığı ölçülür.
Gerekirse komponent case sıcaklığı izlenir.
Farklı dozaj veya termal arayüz ürünleri aynı kontrollü koşullarda karşılaştırılabilir.
Bu test sırasında fan hızı, ortam sıcaklığı ve elektriksel yük değişmemelidir.
Aksi durumda farklı arayüzlerin sonuçlarını karşılaştırmak zorlaşır.
Seri üretimde belirlenen dozaj parametresi daha sonra proses standardı olarak kullanılabilir.
Otomatik dispensing termal arayüz kalınlığını nasıl etkiler?
Otomatik dispensing özellikle yüksek adetli üretimde ürün miktarının tekrarlanabilir hale getirilmesine yardımcı olur.
Manuel işlemde operatör bir parçada 0,5 gram, diğerinde 0,9 gram ürün kullanabilir.
Bu değişim montaj sonrası termal compound dağılımını etkileyebilir.
Otomatik sistemde ise doz hacmi daha kontrollü verilebilir.
Uygulama deseni de önemlidir.
Merkez nokta.
X deseni.
İnce çizgi.
Birden fazla doz noktası.
Hangi desenin kullanılacağı yüzey geometrisine göre belirlenir.
Amaç komponent sıkıştırıldığında compound’un yüzeyin tamamına ilerlemesi ve hava ceplerinin mümkün olduğunca azaltılmasıdır.
Seri üretim doğrulamasında montaj sökülerek yayılım incelenebilir.
Kaplanmayan bölgeler varsa dozaj deseni değiştirilebilir.
Aşırı taşma varsa kullanılan miktar azaltılabilir.
Isıl iletkenlik için Endüstri Teknik yaklaşımı
Isıl iletkenlik elektronik termal yönetimde önemli bir kriterdir ancak Endüstri Teknik ürün seçiminde bu değeri tek başına kullanmaz. Termal arayüzün gerçek performansı malzeme ile komponent geometrisinin birlikte çalışmasına bağlıdır.
Termal direnç değerlendirilmelidir.
Termal arayüz kalınlığı mümkün olduğunca kontrollü tutulmalıdır.
Heat sink ile komponent arasındaki temas direnci azaltılmalıdır.
Ürün doğru miktarda uygulanmalıdır.
Mekanik montaj ilgili komponentin gereksinimine göre yapılmalıdır.
Büyük boşluklarda doğru ürün sınıfı kullanılmalıdır.
Seri üretimde dispensing miktarı standartlaştırılmalıdır.
Gerçek çalışma koşullarında komponent sıcaklığı doğrulanmalıdır.
Endüstri Teknik’in 1961 yılından bu yana sürdürdüğü sanayi odaklı yaklaşım, termal yönetim ürünlerinde yalnızca katalog değerini değil bütün ısı transferi yolunu değerlendirmeye dayanır.
Doğru termal arayüz, yüksek miktarda compound kullanmak anlamına gelmez. Yüzeyler arasındaki havayı kontrollü biçimde azaltan, mümkün olduğunca ince ve sürekli bir termal yol oluşturan uygulama hedeflenmelidir.
İletişim
Endüstri Teknik Ltd. Şti.
Adres: Aşağı Yahyalar Mah. 995/1. Sokak No:5 (7. Kat) D:27 (Ofis Anadolu) Yenimahalle / Ankara
Telefon: 0312 925 54 74
Faks: 0312 925 64 84
Elektronik sistemlerinizde termal direnç, temas direnci, termal arayüz kalınlığı ve ısı transferi koşullarını doğru değerlendirmek; uygulamanızın geometrisine uygun termal arayüz çözümünü belirlemek için Endüstri Teknik ile iletişime geçebilirsiniz.
