Назначение термопасты.

Назначение термопасты. 

                Термоинтерфейс. Современные мощные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры, чипсеты и высокоскоростных процессоры) имеют большое выделение тепла, соответственно, для нормальной работы этих приборов требуется обеспечить его отвод. Эту задачу обеспечивают системы охлаждения, составной частью которых является термоинтерфейс. В данной статье мы уделим основное внимание термоинтерфейсу процессоров (это - центральный процессор на материнской плате и видеопроцессор на плате видеоадаптера - CPU и GPU) ПК как наиболее актуальному для специалистов-ремонтников и подразделений, обслуживающих компьютерную технику организаций и предприятий. В расширенном понимании термоинтерфейсом между процессором и окружающей средой является весь узел кулера, в узком - теплопроводящая паста в зазоре процессор-кулер. Термопаста (теплопроводящая паста) - это многокомпонентное вещество, которое находится в пластичном состоянии и имеет высокую теплопроводность. Используется данное вещество для уменьшения теплового сопротивления между прикасающимися поверхностями.
                Зачем нужна теплопроводящая паста? Кулер, который обеспечивает отвод тепла от корпуса процессора, как известно, крепится к процессору металлической частью рабочего пространства. В процессе изготовления радиаторов и теплораспределительных крышек современных процессоров всегда есть дефекты на данных поверхностях. Это либо откровенно плохое качество полировки основания кулеров, либо выпуклости или впадины на поверхности. А ведь для идеальной теплопередачи нам необходима идеально ровная и гладкая поверхность, которая на все 100% контактирует с радиатором или процессором. На практике между процессором и кулером всегда остаются небольшие пространства - щели. В различных технических требованиях на монтаж радиаторов силовых полупроводниковых приборов указывается, шероховатость сопрягаемой контактной поверхности, которая должна быть не хуже 2,5 мкм, иногда 1,6 мкм.         По старым ГОСТ-ам это 6 класс, который получается при чистовой обработке режущим инструментом. Грубое шлифование дает 7 класс. Аналогичные требования и для кулера процессора. 
Первоначально в этих щелях между контактирующими поверхностями кулера (радиатора) и корпуса процессора имеется только воздух, а это не идеальный проводник тепла. Именно поэтому щели (включая микроскопические пустоты) лучше заполнить термопроводящей пастой. Термопаста намного эффективней воздушной прослойки охлаждает процессор, то есть служит для лучшей теплопередачи. 
                Тепловое сопротивление пасты в зазоре определяется по известной формуле: Rк = d l-1 Sконт °C/Вт, где d - толщина слоя пасты (м), l - коэффициент теплопроводности пасты (Вт/(м*К)); Sконт - площадь теплового контакта (м2). Нужно отметить, что d (толщина слоя пасты), существенно зависит от вязкости теплопроводящей пасты и усилия прижатия, создаваемое механизмом крепления кулера на процессоре. 
                Удельная теплопроводность термопасты довольна высока. Хотя, впрочем, всё относительно: теплопроводность меди - 300 Вт/(м*К), алюминия - 203 Вт/(м*К), самой популярной и универсальной термопасты КТП-8 всего лишь - 0,8 Вт/(м*К). Для сравнения теплопроводность одной из лучших термопаст Arctic Cooling MX-4 составляет внушительные 8,5 Вт/(м*К). Казалось бы, зачем она вообще нужна, если все радиаторы изготавливаются из алюминия или меди. Но вспомните, поверхность у них не идеальная. Вот термопаста и заполняет все неровности, и таким образом создает стремящуюся к 100% теплопроводность.
                Какой минимальный зазор возможен для двух контактных поверхностей? При одинаковой шероховатости возможны моменты, когда отдельные выступы на обеих поверхностях вступают в контакт (см. рис. 1). Это позволяет принять за минимальный зазор расстояние, равное hк+hп = 2,5+2,5=5 мкм. В этом случае имеется в виду чисто воздушный зазор.

Рис. 1.

                При применении вязких теплопроводящих паст зазор увеличивается из-за того, что усилия механизма поджатия не хватает для вытеснения избыточного количества теплопроводящей пасты из зазора между кулером и процессором. Если зазор заполняет воздух, то теплообмен осуществляется через его прослойку и множество точечных соприкосновений по металлу. Для минимального зазора, при наличии в нем воздуха тепловое сопротивление Rt равно 1,74°С/Вт. 
                Усилия, прилагаемые к различным термоинтерфейсам, по разным источникам (для разных приборов) существенно отличаются. Имеющаяся информация по прижимным усилиям сведена в табл. 1.
Таблица 1

Учитывая характеристики шероховатости, можно подсчитать, что минимальный зазор между основанием кулера и процессором не менее 5 мкм. Как от зазора зависит тепловое сопротивление в контактной паре, можно увидеть на рис 2 и 3, где показаны графики зависимости Rt для процессора Intel® Core 2 Duo Desktop Processor E6700, TDP = 65 Вт и Thermal Specification: 60.1°C. Зазор между основанием кулера и процессором при наличии в нем воздуха имеет тепловое сопротивление Rt=1,74°С/Вт, а самая "слабая" ТП КТП-8 в 6 раз большем зазоре (30 мкм) имеет сопротивление 0,23°С/Вт и гипотетически при зазоре 5 мкм Rt=0,038 °С/Вт. Это в 7,56 и 45 раз меньше, соответственно! 
                Существенное значение имеет и непараллельность сопрягаемых поверхностей. При его наличии возникает такой же зазор между сопрягаемыми поверхностями, как и в описанном выше случае. Причем общая непараллельность всей поверхности имеет меньшее значение, чем местные. По некоторым данным при чистоте поверхности 2,5 требования на непараллельность составляют 1,6 мкм. 
                Справка. Прижимное усилие при установке кулера на кристалл не должно превышать: для Intel - 9 кг, при рабочем прижимном усилии до 6 кг; для AMD - 13,6 кг, при рабочем прижимном усилии 9,2 кг.

Рис. 2

Рис. 3.