Waarom thermische geleidbaarheid niet genoeg is bij het kiezen van een thermische pad?

Bij het selecteren van een thermische pad is thermische geleidbaarheid vaak de eerste specificatie waar ingenieurs naar kijken. Een materiaal met 10 W/m·K of 15 W/m·K kan betere thermische prestaties bieden dan een materiaal met een waarde van 5 W/m·K.

Echter, thermische geleidbaarheid alleen bepaalt niet hoe goed een thermische pad presteert in een echt elektronisch apparaat.

Voor toepassingen zoals AI-servers, GPU's, CPU's, vermogensmodules, automotive elektronica en batterijsystemen, moeten ingenieurs rekening houden met verschillende andere factoren, waaronder thermische weerstand, dikte, samendrukbaarheid, contactdruk, elektrische isolatie, betrouwbaarheid en toepassingsomstandigheden.

1. Thermische Geleidbaarheid versus Thermische Weerstand

Thermische geleidbaarheid, uitgedrukt in W/m·K, beschrijft hoe effectief een materiaal warmte geleidt.

Maar de werkelijke warmteoverdrachtsprestaties van een thermische pad zijn afhankelijk van meer dan alleen geleidbaarheid.

Een vereenvoudigde relatie is:

Thermische Weerstand ≈ Dikte / (Thermische Geleidbaarheid × Contactoppervlak)

Dit betekent dat een thermische pad met hoge geleidbaarheid niet noodzakelijkerwijs een lage thermische weerstand biedt als deze te dik is of geen goed contact maakt met de aangrenzende oppervlakken.

Bijvoorbeeld, een thermische pad van 15 W/m·K met slecht contact met het oppervlak kan slechter presteren dan een pad met lagere geleidbaarheid die nauw aansluit op het component en de heatsink.

Daarom moeten ingenieurs de thermische weerstand evalueren onder werkelijke toepassingsomstandigheden, in plaats van alleen W/m·K-waarden te vergelijken.

2. Dikte is Belangrijk

De dikte van de thermische pad is een andere kritische factor.

Elektronische componenten en heatsinks hebben zelden perfect vlakke oppervlakken. Een thermische pad wordt doorgaans gebruikt om de opening tussen twee oppervlakken op te vullen.

Als de pad te dun is, compenseert deze mogelijk niet adequaat voor oppervlakte-onregelmatigheden.

Als deze te dik is, kan de extra materiaaldikte de thermische weerstand verhogen.

Daarom is het kiezen van de juiste dikte een balans tussen:

• Grootte van de opening
• Thermische weerstand
• Samendrukbaarheid
• Vlakheid van het oppervlak
• Tolerantie bij montage

Voor toepassingen zoals thermisch beheer van GPU's en koeling van AI-servers, kan de precieze diktekeuze bijzonder belangrijk zijn omdat de beschikbare thermische interface-opening zeer beperkt kan zijn.

3. Samendrukbaarheid en Vormbaarheid

Een goede thermische pad moet zich kunnen aanpassen aan de oppervlakken van de warmtebron en de heatsink.

Dit is waar samendrukbaarheid belangrijk wordt.

Een zachte en vormbare thermische pad kan microscopische oppervlakte-onregelmatigheden opvullen en luchtgaten verminderen. Lucht heeft een zeer lage thermische geleidbaarheid, dus het minimaliseren van luchtgaten kan de warmteoverdracht aanzienlijk verbeteren.

Echter, overmatige zachtheid is niet altijd wenselijk.

Het materiaal moet ook voldoende mechanische stabiliteit bieden tijdens montage en langdurig gebruik.

Daarom moeten ingenieurs overwegen:

Samendrukbaarheid + Contactdruk + Vormbaarheid van het oppervlak

in plaats van simpelweg het materiaal met de hoogste thermische geleidbaarheid te kiezen.

4. Elektrische Isolatie Kan Cruciaal Zijn

Veel elektronische toepassingen vereisen dat een thermisch interface-materiaal zowel thermische geleidbaarheid als elektrische isolatie biedt.

Bijvoorbeeld, thermische pads kunnen worden gebruikt rond:

• Vermogenshalfgeleiderapparaten
• MOSFET's
• IGBT's
• GPU-modules
• Automotive elektronica
• Batterijsystemen
• Voedingen

In deze toepassingen is een materiaal met uitstekende thermische geleidbaarheid mogelijk niet geschikt als het niet voldoet aan de vereiste elektrische isolatie-eisen.

Afhankelijk van het ontwerp, moeten ingenieurs mogelijk eigenschappen evalueren zoals:

• Diëlektrische sterkte
• Volume-weerstand
• Doorslagspanning
• Stabiliteit van elektrische isolatie

De ideale thermische pad moet daarom tegelijkertijd voldoen aan de elektrische en thermische eisen.

5. Mechanische Betrouwbaarheid en Compressieset

Elektronische apparaten kunnen duizenden uren werken onder continue thermische cycli.

Tijdens bedrijf kunnen componenten herhaaldelijk uitzetten en krimpen naarmate de temperaturen veranderen.

Een thermische pad moet gedurende dit proces voldoende contact behouden.

Belangrijke eigenschappen kunnen zijn:

• Compressieset
• Treksterkte
• Scheurweerstand
• Mechanische stabiliteit
• Gedrag bij langdurige compressie

Een thermische pad die goed presteert tijdens initiële tests, behoudt mogelijk niet dezelfde prestaties na langdurige thermische cycli als de mechanische eigenschappen niet geschikt zijn.

Dit is met name belangrijk voor automotive elektronica, EV-batterijsystemen en industriële vermogenselektronica, waar langdurige betrouwbaarheid een belangrijke overweging is.

6. Bedrijfstemperatuurbereik

Thermische prestaties moeten ook worden geëvalueerd over het werkelijke bedrijfstemperatuurbereik.

Een thermische pad die wordt gebruikt in een consumentenelektronica-apparaat kan heel andere eisen hebben dan een die wordt gebruikt in een automotive of industriële toepassing.

Ingenieurs moeten overwegen:

Minimale bedrijfstemperatuur → Normale bedrijfstemperatuur → Maximale bedrijfstemperatuur

Het materiaal moet zijn mechanische en thermische eigenschappen behouden gedurende het vereiste temperatuurbereik.

Voor veeleisende toepassingen kunnen tests onder thermische cycli en versnelde verouderingsomstandigheden aanvullende informatie verschaffen over langdurige betrouwbaarheid.

7. Verwerkbaarheid en Stansvorming

In massaproductie wordt de thermische pad zelden gebruikt als een eenvoudige rechthoekige plaat.

Het kan nodig zijn om deze om te zetten in een aangepaste vorm met:

• Gaten
• Sleuven
• Trappen
• Inkepingen
• Meerdere afmetingen
• Adhesieve lagen

Daarom kunnen stansvormingsmogelijkheden en dimensionale stabiliteit ook de materiaalkeuze beïnvloeden.

Een thermische pad met uitstekende thermische geleidbaarheid maar slechte verwerkingseigenschappen kan de productiecomplexiteit of productiekosten verhogen.

Voor OEM- en ODM-toepassingen kunnen aangepaste thermische pads helpen bij het vereenvoudigen van de montage en het verbeteren van de consistentie.

8. Keuze van Thermische Pad Moet Toepassingsgericht Zijn

Er is geen enkele thermische pad die ideaal is voor elke toepassing.

Verschillende apparaten kunnen verschillende eigenschappen prioriteren.

Daarom moet de selectie van een thermische pad beginnen met de werkelijke toepassingsvereisten, in plaats van alleen met thermische geleidbaarheid te beginnen.

Hoe Kies Je de Juiste Thermische Pad?

Voordat je een thermische pad selecteert, moeten ingenieurs ten minste de volgende parameters overwegen:

1. Thermische geleidbaarheid
Welk niveau van warmteoverdracht is vereist?

2. Thermische weerstand
Wat zijn de werkelijke thermische prestaties bij de vereiste dikte en druk?

3. Gapsdikte
Wat is de werkelijke opening tussen de warmtebron en de heatsink?

4. Samendrukbaarheid
Hoeveel compressie is beschikbaar tijdens montage?

5. Elektrische isolatie
Vereist de toepassing diëlektrische isolatie?

6. Bedrijfstemperatuur
Wat zijn de minimale en maximale bedrijfstemperaturen?

7. Mechanische betrouwbaarheid
Kan het materiaal prestaties behouden tijdens langdurige compressie en thermische cycli?

8. Productievereisten
Heeft het materiaal stansvorming, kleefrug of aangepaste afmetingen nodig?

ZIITEK Thermische Pads voor Geavanceerd Thermisch Beheer

Voor veeleisende toepassingen biedt ZIITEK een reeks thermische interface-materialen (TIM's) ontworpen voor thermisch beheer van elektronica.

ZIITEK thermische pads kunnen worden aangepast aan toepassingsvereisten zoals thermische geleidbaarheid, dikte, afmetingen, samendrukbaarheid, elektrische isolatie en bedrijfstemperatuur.

Ze kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals AI-servers, GPU's, CPU's, vermogenselektronica, automotive elektronica, EV-batterijsystemen en industriële apparatuur.

In plaats van een thermische pad te selecteren op basis van alleen de W/m·K-waarde, moeten ingenieurs het complete thermische interface-systeem evalueren - inclusief thermische weerstand, dikte, contactomstandigheden, mechanische eigenschappen en langdurige betrouwbaarheid.

Hulp Nodig bij het Kiezen van de Juiste Thermische Pad?

Deel uw toepassing, gapsdikte, afmetingen, bedrijfstemperatuur en thermische vereisten met het ZIITEK team.

Wij kunnen u helpen bij het evalueren van een geschikte thermische pad-oplossing voor uw toepassing.