Тепловые интерфейсы

Общеизвестен факт, что теплорассеивание с поверхности процессора сильно затруднено вследствие ее достаточно малой площади. Применение CPU кулеров существенно облегчает процесс теплообмена с окружающей средой. Однако, если радиатор крепится на процессор без использования интерфейсных теплопроводящих материалов, теплообмен будет не таким эффективным, каким мог бы быть. Почему? Потому, что не бывает идеально плоских поверхностей. Всегда имеются микротрещины, выемки и прочие дефекты. И при контакте двух поверхностей, даже при сильном сжатии, неминуемо образуются полости, заполненные воздухом, термосопротивление которого велико.

Соответственно, теплообмен на этих участках будет затруднен. Использование интерфейсных теплопроводящих материалов сводит к минимуму количество таких полостей, а значит и резко усиливает процесс теплопередачи.

Поток тепла через такой материал в общем случае может быть оценен тем же законом Фурье, что и для радиаторов. Это выражение можно упростить, предполагая, что теплопередача осуществляется только в направлении, перпендикулярном плоскости поверхности корпуса процессора:

q = k(Tc - Ts)/L,
где
q - поток тепла,
k - теплопроводность материала,
Tc - температура корпуса процессора,
Ts - температура радиатора,
L - толщина интерфейсного слоя.
Соответственно, термосопротивление может быть выражено следующим образом:

Rm = (Tc-Ts)/Lq

Различные теплопроводящие интерфейсные материалы обладают разным термосопротивлением. Посмотрим, какими же бывают эти материалы.

Термопасты (thermal greases)

Синтетические смолы (силикон, например) смешиваются с определенным количеством теплопроводящего порошка (обычно соотношение 40% и 60% соответственно). Образуется вязкая паста беловатого или серого цвета. Беловатый цвет свидетельствует о применении оксида цинка в качестве теплопроводящего вещества, серый - оксида алюминия. В экзотических случаях может быть и оксид серебра. Термопасты не затвердевают и могут быть легко убраны с поверхности радиатора или процессора. Хотя они не и являются электрическими изоляторами, протекание в них сколько-нибудь существенных токов маловероятно. Минусы термопаст - слабые клейкие свойства (в некоторых случаях может потребоваться дополнительное закрепление радиатора - эпоксидной смолой, например), возможно смешивание с нежелательными компонентами (может привести к частичной или даже существенной потере теплопроводящих свойств). Характеристики термопаст смотрите в таблице.

Термические смеси (thermal compounds)

В общем случае представляют собой смесь эпоксидной смолы, теплопроводящей присадки и загустителя. При применении смесь переходит в резиноподобное состояние, крепко закрепляя радиатор. Однако, процесс удаления этого материала тоже достаточно прост. Тепловые характеристики термической смеси являются наилучшими. Но работать с ними достаточно сложно, так как часто приходится самостоятельно приготавливать смесь, поскольку производители поставляют именно компоненты, а не готовую смесь. Кроме этого невозможно вторичное применение бывшей в употреблении смеси.

Теплопроводящие прокладки (thermally conductive elastomers)

Резиноподобные пластины, содержащие теплопроводящие присадки. Может быть добавлено стекловолокно для увеличения прочности. Являются электрическими изоляторами, поэтому смело могут быть использованы для соединения поверхностей разных потенциалов. Обладая наибольшим коэффициентом теплопроводности, эти эластомеры, однако, не являются эффективным тепловым интерфейсом, так как не полностью заполняют нерегулярности поверхностей. Только при обеспечении сильного сжатия поверхностей они могут составить конкуренцию термопастам.

Теплопроводящие клейкие пленки (thermally conductive adhesive tapes)

Двусторонние клейкие пленки, содержащие теплопроводящий наполнитель. Алюминиевая фольга может служить укрепляющим каркасом. Быстрота и удобство работы с этим материалом не могут компенсировать слабую эффективность теплопередачи. Многие пользователи рекомендуют воздерживаться от применения таких пленок, поскольку в исключительных случаях даже просто отсутствие теплового интерфейса может оказаться более эффективным. Все это касается существующих пленок. Однако, разработчики не топчутся на месте, и вполне возможно появление эффективных вариантов этого теплового интерфейса.

Материалы, меняющие агрегатные состояния (phase change materials)

Такие материалы при комнатной температуре представляют собой твердые микрочастицы. При достижении определенной температуры (обычно 45-60 °C) микрочастицы плавятся - происходит фазовый переход. При этом материал становится близок к термопастам по своим теплопроводящим свойствам. Более того, такие материалы могут обладать существенно меньшим термосопротивлением, меньшей текучестью и лучшими эксплуатационными свойствами. Благодаря этому данные материалы все чаще и чаще применяются в качестве тепловых интерфейсов.

*Уменьшая толщину слоя можно уменьшить и термосопротивление

Производителей этих материалов достаточно много. Среди самых авторитетных - 3М, The Bergquist Co., Delta Technologies. Однако не стоит гнаться за громким именем, поскольку соотношение цена-качество может оказаться не слишком приемлемым.

О применении теплопроводящих материалов можно узнать на страницах разделов Охлаждение CPU и Охлаждение видеокарт.

Виталий Криницин
Последнее обновление
27 июня 2000 года