Wat is thermische verbinding?

In computers kunnen veel onderdelen veel warmte produceren en hebben ze koeling nodig. De CPU en GPU zijn de twee belangrijkste warmtebronnen. Ze hebben over het algemeen allebei actieve koeling nodig, zelfs in een behuizing met een goede luchtstroom. RAM, SSD's, VRAM, VRM's en de chipset produceren behoorlijk wat warmte. Vaak kunnen deze wegkomen met passieve koeling in een behuizing met een goede luchtstroom, zolang ze maar een redelijk groot koellichaam hebben.

Al deze warmtebronnen worden gekoeld door warmte over te dragen naar een actief of passief koellichaam en vervolgens het koellichaam de warmte te laten overbrengen naar de lucht, die vervolgens uit de behuizing wordt verwijderd. Het proces is vrij fundamentele natuurkunde. Het vereist echter een goed contact om de warmte efficiënt over te dragen. Het koellichaam een ​​goed contact met de lucht geven is eenvoudiger dan triviaal. Als gas past de lucht zich netjes aan de vorm van het koellichaam aan. De enige overweging is het maximaliseren van het oppervlak van het koellichaam.

Een goed contact krijgen tussen het eigenlijke warmteproducerende onderdeel en het koellichaam is echter ingewikkelder. Over het algemeen zijn beide onderdelen van metaal, en zelfs als ze beide plat worden bewerkt en stevig bij elkaar worden gehouden, is het resultaat niet perfect. Het afplattingsproces kan microscopische groeven achterlaten, waardoor er wat lucht binnenkomt die de warmteoverdracht daadwerkelijk isoleert. In sommige gevallen kan de montagekracht er ook voor zorgen dat een of beide onderdelen weer iets buigen, wat leidt tot slecht contact en slechte warmteoverdracht.

Om deze problemen te minimaliseren, wordt over het algemeen een thermische verbinding gebruikt. Deze komen meestal in vier formaten met verschillende use cases, voor- en nadelen. Over het algemeen hoeven eindgebruikers slechts met één type thermische verbinding, koelpasta, te maken te hebben, dus de twee zijn meestal synoniem.

Koelpasta

Koelpasta is het meest voorkomende type thermische verbinding. Het kan ook worden aangeduid als thermisch vet en TIM, een afkorting van Thermal Interface Material. Exacte mengsels variëren, maar het is over het algemeen een polymeerpasta met kleine metaaldeeltjes. De bedoeling is dat er een kleine hoeveelheid op het te koelen oppervlak wordt gelegd.

De koeler wordt vervolgens plat op de bovenkant geplaatst, waardoor de koelpasta op natuurlijke wijze gelijkmatig wordt verspreid en eventuele openingen worden opgevuld, hoe klein ook. Voor een CPU van standaardformaat is doorgaans een klodder koelpasta ter grootte van een erwt voldoende om volledige dekking te bieden.

Koelpasta's worden over het algemeen geleverd in een kleine spuit, waardoor het gemakkelijk is om een ​​kleine hoeveelheid aan te brengen op het gewenste gebied. Sommige komen echter in sachets die moeilijker aan te brengen zijn en over het algemeen nogal rommelig zijn. Thermische geleidbaarheid wordt gemeten in W/mK, of Watt per meter Kelvin. Hogere getallen zijn beter omdat er meer warmte kan worden overgedragen. Koelpasta's bieden doorgaans ongeveer 8 W/mK.

Thermische pasta's zijn - bijna altijd - niet elektrisch geleidend, wat betekent dat het niet uitmaakt of er een klein beetje uit knijpt. Het kan geen kortsluiting veroorzaken. Koelpasta wordt meestal gebruikt tussen CPU's en hun koelers en GPU's en hun koelers. Koelpasta droogt over het algemeen na verloop van tijd uit en vertoont vaak na ongeveer twee jaar verminderde prestaties. Op dit punt moet het worden schoongemaakt en opnieuw worden aangebracht. Doorgaans heeft koelpasta geen kleefkracht.

Thermische Pads

Thermische pads zijn in feite kleine dunne sponzen die warmte goed geleiden. Ze zijn over het algemeen niet zo goed in het geleiden van warmte als koelpasta, deels omdat ze dikker zijn dan de pasta uiteindelijk wordt. Deze thermische pads zijn gemakkelijk aan te brengen omdat je precies kunt zien welke dekking je krijgt. Het kussentje heeft de neiging enigszins klevend te zijn, wat het verwijderen moeilijk maakt, vooral als het kussentje uit elkaar breekt.

Thermische pads bieden een beschermingslaag voor drukgevoelige componenten. Montagedruk kan er soms voor zorgen dat componenten barsten, vooral als niet alle componenten perfect waterpas zijn. De kleine spons van een thermisch kussen zorgt ervoor dat het die druk absorbeert en helpt om componenten waterpas te zetten. Thermische pads worden meestal niet gebruikt om CPU's of GPU's te koelen.

Ze staan ​​echter vaak op VRAM, VRM's, RAM en SSD's. Deze apparaten produceren over het algemeen niet zoveel warmte. Dus de verminderde thermische geleidbaarheid in vergelijking met pasta is geen probleem. De kostenbesparing wordt echter gewaardeerd.

Soldeer TIM

Een CPU heeft eigenlijk twee lagen van het koellichaam. De CPU-chip wordt afgedekt door een Integrated Heat Spreader of IHS. De IHS wordt vervolgens gekoeld door het koellichaam met daartussen een standaard koelpastalaag. Om ervoor te zorgen dat de IHS goed contact maakt met de CPU-chip, wordt een andere laag thermische verbinding gebruikt voor optimale thermische geleidbaarheid. In sommige scenario's wordt standaard koelpasta gebruikt. Het oppervlak is echter klein, waardoor warmteoverdracht moeilijker wordt.

In moderne processors brengt soldeer warmte over tussen de CPU-chip en de IHS. Dit wordt meestal toegepast als een miniatuurvel dat tijdens het aanbrengen van de IHS wordt samengedrukt om een ​​goede verbinding te vormen. Als metaal is de thermische geleidbaarheid van soldeer veel hoger, rond de 50W/mK. Het is ook elektrisch geleidend, dus zorg ervoor dat nabijgelegen componenten worden geïsoleerd.

Vloeibaar metaal

Sommige enthousiastelingen en extreme overklokkers kiezen ervoor om een ​​thermische verbinding van vloeibaar metaal te gebruiken. Deze zijn op basis van gallium, een metaalvloeistof bij kamertemperatuur. Het is echter over het algemeen gelegeerd met andere metalen. Dit betekent dat het op dezelfde manier kan worden aangebracht als de standaard koelpasta.

Het biedt een uitstekende thermische geleidbaarheid, in de orde van grootte van 60W/mK. Door het te gebruiken, kan de temperatuur in meerdere graden dalen, omdat warmte efficiënter wordt afgevoerd. Hoe goed dat ook klinkt, er zijn verschillende problemen.

Grote voorzichtigheid is geboden bij het gebruik van vloeibare metalen. Allereerst mag gallium niet direct worden gehanteerd. Vloeibaar metaal is veel minder dicht dan koelpasta, dus er hoeft veel minder te worden gebruikt. Het is elektrisch geleidend, dus het kan kortsluiting veroorzaken als het op componenten terechtkomt.

Gallium is ook spectaculair corrosief voor aluminium, wat onverenigbaar is met op aluminium gebaseerde koellichamen. Vloeibare metalen zijn moeilijk schoon te maken als je ze opnieuw wilt aanbrengen. Vloeibare metalen thermische verbindingen mogen niet worden gebruikt, tenzij u zeer ervaren bent en alle risico's kent die daarmee gepaard gaan.

Conclusie

Thermische verbinding verwijst naar elke vorm van thermisch interfacemateriaal. Deze materialen zijn ontworpen om goed fysiek contact en een hoge thermische geleidbaarheid te bieden om ervoor te zorgen dat warmte efficiënt kan worden afgevoerd. In de meeste gevallen betekent de thermische verbinding koelpasta, aangezien dit doorgaans de enige vorm is waarmee eindgebruikers te maken hebben.

Er zijn echter andere typen beschikbaar, met verschillende voor- en nadelen. Prestaties worden gemeten in thermische geleidbaarheid met de eenheden W/mK. Hogere waarden zijn beter, maar er moet ook rekening worden gehouden met andere factoren zoals gebruiksgemak en elektrische geleidbaarheid.