مقدمة

تعد الإدارة الحرارية الفعالة أمرًا ضروريًا للأجهزة الإلكترونية الحديثة. مكونات مثلوحدات المعالجة المركزية,تولد وحدات الطاقة والإلكترونيات الصناعية ومعدات الاتصالات كميات كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل. إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة بشكل صحيح، فقد يؤدي ذلك إلى تدهور الأداء، وانخفاض الموثوقية، وتقصير عمر المنتج.

بالوعة الحرارةتستخدم على نطاق واسع لإزالة الحرارة من المكونات الإلكترونية. ومع ذلك، حتى أفضل-المشتت الحراري تصميمًا لا يمكن أن يعمل بشكل فعال دون الاتصال المناسب بمصدر الحرارة. هذا هو المكانمعجون حراري، المعروف أيضًا باسمالشحوم الحرارية أو المركب الحراري، يصبح حرجا.

يعمل المعجون الحراري على تحسين الواجهة الحرارية بين المكونات الإلكترونية والمشتتات الحرارية عن طريق تقليل فجوات الهواء المجهرية التي تحد من انتقال الحرارة. سنشرح في هذه المقالة ما هو المعجون الحراري، وكيف يعمل، ولماذا يلعب دورًا مهمًا في أداء المشتت الحراري.

ما هو المعجون الحراري

المعجون الحراري هو نوع منمادة الواجهة الحرارية (TIM)يُستخدم لتحسين نقل الحرارة بين سطحين متلامسين، عادةً بين مكون توليد الحرارة-والمشتت الحراري.

على الرغم من أن الأسطح المعدنية مثل وحدات المعالجة المركزية وقواعد المشتت الحراري قد تبدو ناعمة، إلا أنها تحتوي في الواقع على عيوب سطحية مجهرية. عند الضغط على سطحين معًا، تبقى جيوب هوائية صغيرة محاصرة بينهما.

الهواء موصل رديء للحرارة، وله موصلية حرارية تقارب0.024 W/m·K. يملأ المعجون الحراري هذه الفجوات المجهرية ويستبدل الهواء بمادة موصلة للحرارة بشكل أكثر كفاءة.

تتمتع معظم المعاجين الحرارية بقيم توصيل حراري تتراوح من1 وات/م·ك إلى أكثر من 10 وات/م·كوذلك حسب التركيبة والمواد المستخدمة.

المعجون الحراري قد يتم الإشارة إليها أيضاً بصفة:

الشحوم الحرارية

مركب حراري

مركب بالوعة الحرارة

مادة الواجهة الحرارية (TIM)

مبدأ عمل المعجون الحراري

وتتمثل المهمة الأساسية للمعجون الحراري فيتقليل المقاومة الحرارية بين سطحين ملامسين.

في نظام التبريد الإلكتروني النموذجي، تنتقل الحرارة عبر المسار التالي:

رقاقة ← معجون حراري ← المشتت الحراري ← الهواء

بدون المعجون الحراري، غالبًا ما يحتوي مسار نقل الحرارة على فجوات هوائية مجهرية:

رقاقة ← فجوة هوائية ← المشتت الحراري

ونظرًا لأن الهواء يتمتع بموصلية حرارية منخفضة للغاية، فإن هذه الفجوات تخلق مقاومة حرارية وتقلل بشكل كبير من كفاءة نقل الحرارة.

من خلال ملء هذه الفجوات، يخلق المعجون الحراري مسارًا حراريًا أكثر استمرارًا يسمح للحرارة بالتدفق بكفاءة أكبر من المكون الإلكتروني إلى المشتت الحراري.

لماذا يعتبر المعجون الحراري مهمًا لأحواض الحرارة؟

تم تصميم المشتتات الحرارية لتبديد الحرارة من خلال التوصيل والحمل الحراري. ومع ذلك، فإن فعاليتها تعتمد بشدة على جودة الاتصال بين مصدر الحرارة وقاعدة المشتت الحراري.

حتى الأسطح المعدنية المُشكَّلة بدقة ليست مسطحة تمامًا. وعندما يتم تجميع هذه الأسطح معًا، تبقى بينها فراغات مجهرية.

يقوم المعجون الحراري بملء هذه الفراغات وتحسين التفاعل الحراري بين السطحين. وينتج عن ذلك عدة فوائد:

* انخفاض المقاومة الحرارية

* تحسين كفاءة نقل الحرارة

* انخفاض درجات حرارة التشغيل

* أداء حراري أكثر استقرارًا

بالنسبة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة-، غالبًا ما يكون استخدام المعجون الحراري بين المكون والمشتت الحراري أمرًا ضروريًا لتحقيق أداء تبريد موثوق.

التطبيقات الحقيقية للمعجون الحراري مع المشتتات الحرارية

يستخدم المعجون الحراري على نطاق واسع في أنظمة التبريد الإلكترونية حيث يلزم نقل الحرارة بكفاءة بين المكونات والمشتتات الحرارية. توضح الأمثلة التالية كيفية استخدام المعجون الحراري في تصميمات المشتت الحراري الحقيقية.

تطبيق تبريد وحدة المعالجة المركزية

في أنظمة الحوسبة عالية الأداء-، يعد التبريد الفعال أمرًا ضروريًا للحفاظ على أداء مستقر للمعالج.

يستخدم أحد الحلول الحرارية الشائعةالألومنيومزعانف سستةجنبا إلى جنب مع أغرفة بخارقاعدة. تعمل غرفة البخار على توزيع الحرارة بسرعة عبر القاعدة، بينما توفر الزعانف السحابية مساحة سطحية كبيرة لتعزيز تبريد الهواء.

في هذا التصميم،يتم تطبيق المعجون الحراري على السطح المسطح لغرفة البخارلضمان الاتصال الحراري المناسب بين وحدة المعالجة المركزية والمشتت الحراري. ومن خلال ملء فجوات الهواء المجهرية بين السطحين، يعمل المعجون الحراري على تحسين كفاءة نقل الحرارة بشكل كبير.

(مثال على المشتت الحراري لتبريد وحدة المعالجة المركزية حيث يتم تطبيق المعجون الحراري بين المعالج وقاعدة غرفة البخار لتحسين الاتصال الحراري)

تبريد المعدات مع المشتت الحراري ذو الزعانف

كما يستخدم المعجون الحراري بشكل شائع في أنظمة التبريد للمعدات الإلكترونية والأجهزة الصناعية.

في هذا المثال، يتكون المشتت الحراري منزعانف سحاب من الألومنيوم ملحومة على لوحة قاعدة من الألومنيوم. يوفر هذا الهيكل تبديدًا فعالاً للحرارة من خلال الجمع بين انتشار الحرارة عبر لوحة القاعدة مع زيادة مساحة السطح من زعانف السحاب.

لتحسين الواجهة الحرارية بين مكون توليد الحرارة-والمشتت الحراري،يتم تطبيق المعجون الحراري مباشرة على سطح لوحة قاعدة الألومنيوم. يساعد ذلك في تقليل المقاومة الحرارية ويحسن نقل الحرارة من الجهاز إلى المشتت الحراري.

لحماية الواجهة الحرارية أثناء النقل والتركيب، أيمكن وضع الغطاء الواقي فوق المعجون الحراري المطبق. يمنع هذا الغطاء لمس المعجون الحراري أو تلويثه أو إزاحته عن طريق الخطأ قبل التجميع.

(مشتت حراري ذو زعانف من الألومنيوم مع معجون حراري مطبق على لوحة القاعدة لتحسين الاتصال الحراري في تبريد المعدات الإلكترونية)

المعجون الحراري مقابل الوسادة الحرارية

المعجون الحراري ليس مادة الواجهة الحرارية الوحيدة المستخدمة في الإلكترونيات. الحل المشترك الآخر هووسادة حرارية.

يُفضل المعجون الحراري عادة في التطبيقات التيأقصى أداء حراريمطلوب.

كيفية وضع المعجون الحراري على المشتت الحراري

يعد تطبيق المعجون الحراري بشكل صحيح أمرًا مهمًا لتحقيق أداء التبريد الأمثل.

يجب وضع كمية صغيرة من المعجون الحراري على مركز مصدر الحرارة قبل تركيب المشتت الحراري. عندما يتم تركيب المشتت الحراري، ينشر الضغط العجينة عبر سطح التلامس.

تتضمن طرق التطبيق الشائعة ما يلي:

* طريقة النقطة

* طريقة الخط

* طريقة الصليب

الهدف هو إنشاءطبقة رقيقة ومتساويةالذي يملأ الفجوات المجهرية دون خلق حاجز سميك بين الأسطح.

ما هي كمية المعجون الحراري التي يجب أن تستخدمها؟

من المهم استخدام الكمية الصحيحة من المعجون الحراري.

قد يؤدي استخدام الكثير من المعجون إلى زيادة سمك الطبقة الحرارية، مما قد يقلل من كفاءة نقل الحرارة. قد يؤدي استخدام كمية قليلة جدًا من المعجون إلى ترك فجوات هوائية بين الأسطح.

في معظم التطبيقات،كمية صغيرة بحجم حبة البازلاء-.يكفي للأسطح النموذجية ذات الحجم -المعالج.

قد تختلف الكمية الصحيحة حسب حجم مصدر الحرارة وقاعدة المشتت الحراري.

هل تعمل المبددات الحرارية بدون معجون حراري؟

يمكن أن يعمل المشتت الحراري من الناحية الفنية دون استخدام المعجون الحراري، ولكن عادةً ما ينخفض ​​أداء التبريد.

بدون المعجون الحراري، تبقى فجوات هوائية مجهرية بين مصدر الحرارة والمشتت الحراري. تزيد هذه الفجوات من المقاومة الحرارية وتقلل من كفاءة نقل الحرارة.

بالنسبة إلى معظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة، وخاصة أنظمة الطاقة- العالية، يوصى بشدة باستخدام المعجون الحراري لتحقيق أداء تبريد مثالي.

خاتمة

يلعب المعجون الحراري دورًا حاسمًا في أنظمة التبريد الإلكترونية الحديثة. ومن خلال ملء فجوات الهواء المجهرية بين المكونات والمشتتات الحرارية، فإنه يقلل من المقاومة الحرارية ويحسن كفاءة نقل الحرارة.

سواء تم استخدامه في أنظمة تبريد وحدة المعالجة المركزية أو المعدات الإلكترونية الصناعية، فإن المعجون الحراري يساعد على ضمان عمل المشتتات الحرارية بشكل فعال والحفاظ على درجات حرارة التشغيل المستقرة.

عند دمجها مع هيكل المشتت الحراري المصمم بشكل صحيح، يمكن لمادة الواجهة الحرارية المناسبة أن تحسن بشكل كبير أداء الإدارة الحرارية الشاملة للأجهزة الإلكترونية.