Как изменяется термическое сопротивление интерфейсного материала на основе смазки-в зависимости от времени и температуры?

Термопаста между картриджным нагревателем и отверстием, в котором он находится в плите пресса, является героем с первого дня. Он заполняет небольшие воздушные пространства, образуя идеальный мостик с низким сопротивлением для тепла. Но эта смазка представляет собой деликатную смесь силиконового или углеводородного масла и керамического порошка, проводящего тепло. Это метастабильное, постоянное твердое вещество. В течение тысяч часов и постоянных тепловых циклов в течение срока службы валика масло может медленно испаряться, вытесняться давлением зажима или окисляться и затвердевать. Идеальный мост становится разрушающимся изолирующим барьером.

Термопаста: ожидаемый механизм старения
Механизм старения термоинтерфейсных материалов на основе смазки (TIM) хорошо известен и предсказуем. Повышение термического сопротивления со временем и температурой происходит за счет трех основных процессов: испарения масла, механического откачивания-и окислительного отверждения.

Испарение масла
Давление пара базового масла (силикона или углеводорода) ограничено. При нормальной рабочей температуре плиты от 150 до 250 градусов масло будет медленно испаряться. Масляная фаза теряется, оставляя сухой прессованный керамический порошок, который не способен прилипать к микро-шероховатостям нагревателя или поверхностей отверстий. То, что раньше было гибкой пастой,-заполняющей зазоры, становится рыхлым или спеченным слоем порошка с плохим термическим контактом. В течение срока службы валика термостойкость контакта может увеличиться в два-три раза. Это приводит к менее эффективной теплопередаче и более высоким рабочим температурам нагревателя.

Механический насос с дифференциальным тепловым расширением-Выход
В установке картриджного нагревателя при нагревании нагреватель и окружающее его металлическое отверстие расширяются с противоположными скоростями. Коэффициент теплового расширения металла (стали, алюминия и т. д.) отличается от коэффициента теплового расширения оболочки нагревателя (обычно из нержавеющей стали или инколоя). Относительное движение между нагревателем и отверстием при каждом цикле нагрева-подобно небольшому накачиванию. Постепенно смазка выдавливается из поверхности раздела-это явление, известное как выкачивание-откачивание. Откачанная смазка не попадает повторно-после остывания системы. Исходный объем смазки вытекает из поверхности раздела в течение тысяч тепловых циклов, и воздушные зазоры-появляются вновь.

Окислительная закалка
Углеводородное или силиконовое масло окисляется при высоких температурах под воздействием кислорода (даже небольшого количества, попавшего в отверстие). Окисление превращает текущее масло в липкое, липкое или хрупкое твердое вещество. Этот затвердевший остаток имеет очень низкую теплопроводность и не может течь, заполняя пустоты. Это добавляет еще один слой изоляции». Скорость окисления является экспоненциальной функцией температуры в соответствии с уравнением Аррениуса. При повышении рабочей температуры на каждые 10 градусов скорость износа может удвоиться или утроиться.

Симптомы: ухудшение характеристик зоны нагрева.
Ухудшение термостойкости смазки ТИМ проявляется в виде медленной, часто незаметной деградации зоны нагрева. Этот симптом не является резким отказом, а прогрессирующей потерей способности достигать заданной температуры или поддерживать однородность по всей плите. Внутренний датчик температуры нагревателя (термопара или RTD) может по-прежнему показывать правильную температуру, но температура поверхности валика отстает из-за износа теплового моста.

Нагреватель должен работать при более высокой температуре, чтобы передать тот же тепловой поток через поврежденный контакт. Повышенная внутренняя температура способствует старению самого нагревателя (окислению нагревательного провода, охрупчиванию изоляции), что приводит к преждевременному перегоранию. Таким образом, разлагающееся масло становится хроническим, невидимым фактором, снижающим производительность валиков и срок службы нагревателя.

Количественная оценка деградации: насколько быстро растет термическое сопротивление?
Рост жаростойкости не является линейным. Он подчиняется типичной кривой:

Ранняя стадия (0–5:00 часов): особых изменений нет. Смазка новая, масляная фаза целая.

Средний срок службы (500–2000 часов): Начало испарения и откачки. Термическое сопротивление начинает увеличиваться, обычно на 20-50% от первоначального значения.

Late life (>2000 часов): ускоренное разрушение. Смазка полностью высыхает, остается только порошок или затвердевший остаток. Термическое сопротивление может увеличиться на 100-200% и более.

Точное время сильно зависит от температуры. Силиконовая смазка приличного качества может прослужить от 5000 до 10 000 часов при температуре 150°C. Та же самая смазка при температуре 250 градусов может выйти из строя менее чем за 1000 часов. Скорость деградации имеет экспоненциальную зависимость от температуры, так что повышение на 10–15 градусов сокращает вдвое прогнозируемый срок службы смазочного контакта.

Практические решения: борьба с деградацией
Существует два метода борьбы с разрушением TIM на основе смазки-.

Профилактическое обслуживание с повторной-смазкой
Существующие установки, использующие смазку в качестве интерфейса, требуют профилактической программы технического обслуживания. План должен содержать:

Периодические проверки тепловых характеристик. При указанной потребляемой мощности измерьте разницу температур между датчиком нагревателя и поверхностью стола. Любое повышение этой дельты – это увеличение термостойкости.

• Планируемая периодичность-смазки: планируйте повторную-смазку или замену нагревателя каждые 1–3 года в зависимости от рабочей температуры. Отверстие очищается от старой смазки и добавляется новое дозированное количество высокотемпературной малоотделяющей смазки.

Смазки премиум-класса Не все термопасты одинаковы. Вы можете значительно увеличить интервал технического обслуживания, используя смазку, устойчивую к высоким температурам, например, смазку, изготовленную на основе синтетических масел и обладающую низкой летучестью.

Постоянная альтернатива: графитовая фольга
В тех ситуациях, когда долгосрочная-надежность имеет решающее значение, а доступ для обслуживания ограничен, рекомендуется использовать интерфейс из графитовой фольги. Графитовая фольга представляет собой гибкий лист, изготовленный из сжатого расширенного графита. В нем нет масляной фазы, поэтому он не может испаряться, откачиваться или окисляться таким же образом. Графитовая фольга способна сохранять свою теплопроводность (обычно 5–10 Вт/м·К, что намного выше, чем у смазки) в течение неопределенного времени при высоких температурах и термоциклировании. Единственным скромным недостатком является то, что она немного менее пригодна, чем свежая смазка, для действительно твердых поверхностей. Однако графитовая фольга является постоянным,-необслуживаемым термомостом для большинства отверстий картриджных нагревателей со стандартной степенью обработки (Ra 3,2 микрона или выше).

Вывод: коварный, хронический вор производительности валика.
Скрытый хронический вор производительности валика — это предсказуемая медленная смерть термопасты. Это проблема, которая возникает не внезапно, а скорее с медленным и тонким ухудшением эффективности и однородности нагрева. Если ничего не остановить, разлагающаяся смазка приведет к тому, что нагреватели начнут нагреваться и выйти из строя раньше. Наиболее важным термическим мостом в валике часто является тот, который бесшумно разваливается, слой за слоем, по мере испарения масла и высыхания смазки. Этот вид отказа полностью устраняется путем выбора интерфейса из графитовой фольги для новых установок. Для существующих систем смазки единственный способ обеспечить постоянные и долгосрочные-тепловые характеристики — это составить график профилактического обслуживания с периодической по-смазкой или заменой нагревателя. Первым этапом создания чрезвычайно надежной системы нагреваемых плит является понимание ожидаемого разрушения смазочных материалов TIM.