Железо,  Майнинг,  Статьи

О выборе термопрокладок для видеокарт и других мощных радиоэлектронных устройств

Известно, что время эксплуатации полупроводниковых микросхем (ресурс) уменьшается в два раза с каждым повышением температуры на 10 градусов. Для максимального увеличения продолжительности работы, а также увеличения разгонного потенциала желательно максимально снижать температуру, при которой работают производительные видеокарты, FPGA и ASIC-и. Для этого используются производительные системы охлаждения, обычно состоящие из радиаторов, вентиляторов и термоинтерфейса (прокладок и пасты) между ними и охлаждаемым устройством.

Очень частой причиной проблем с теплоотводом является поломка вентиляторов, которая устраняется их заменой или ремонтом (подробнее в статье Ремонт и профилактика механической части вентиляторов видеокарт, а также Ремонт вентиляторов с оторванной обмоткой статора).

Иногда, несмотря на использование массивных, хорошо обдуваемых радиаторов, не удается снизить до приемлемых значений температуру (видео)процессора, чипов памяти и электронных элементов, отвечающих за формирование рабочих напряжений. Часто это связано с выработкой ресурса или применением некачественной термопасты и/или термопрокладок (Thermal Pads). Кроме того, свое влияние оказывает и погрешность при изготовлении самих радиаторов, которые могут иметь небольшие перекосы/перепады толщины в разных местах.

Силиконовые термопрокладки, широко использующиеся в вычислительной технике:

Негативное влияние на температурный режим оказывает и неправильно подобранная толщина термопрокладок, которая не позволяет радиатору выполнять свои функции. Это может быть связано с чрезмерной толщиной прокладок в каком-то месте, из-за чего радиатор не прижимается к другим деталям, либо из-за малой толщины, которая недостаточна для передачи тепла от горячей микросхемы к радиатору. В этом случае нужно либо использовать термопрокладки разной толщины, либо использовать в одном из мест очень мягкие (легко деформирующиеся) прокладки (иллюстрация с igorslab):

В любом случае, для увеличения эффективности работы теплоотвода следует точно подбирать материал и толщину термопрокладок, а также термопасту. При этом следует учитывать, что чем тоньше слой термоинтерфейса, тем выше его эффективность.

Как выбрать точную толщину термопрокладки?

При выборе толщины прокладок нужно точно измерить величину зазора между охлаждаемой и отводящей тепло поверхностями. Толщина прокладки (Thermal Pad) обычно подбирается равной ширине измеренного зазора плюс 0.1-0.5 мм для обеспечения прижима с учетом деформации материала прокладки. При отсутствии подходящей толщины в имеющемся ассортименте прокладок, следует подбирать ближайшую по размеру, округляя найденный размер в большую сторону. Установка немного большей прокладки увеличивает ее прижим, что снижает тепловое сопротивление и увеличивает эффективность.

График зависимости теплового сопротивления термопрокладок Keratherm от их толщины и прижимного усилия (чем меньше тепловое сопротивление, тем лучше):

Не следует проявлять фанатизм, используя слишком толстые прокладки, особенно, если они очень жесткие. Из-за сильного прижима может произойти повреждение BGA-шариков охлаждаемых микросхем, которое неизбежно приведет к отвалу чипа. В связи с этим, при установке термопрокладок на микросхемы VRAM, не стоит использовать длинные «термоковрики» с поверхностью, закрывающей сразу несколько микросхем. Лучше вырезать индивидуальную прокладку для каждого чипа. Это обеспечит хороший прижим и освободит место для избыточной массы деформирующейся прокладки в стороне от чипа, что уменьшит вероятность повреждения BGA-контактов.

При выборе прокладок следует учитывать, насколько сильно они могут деформироваться при сжатии. Поправка на прижим может варьироваться в зависимости от мягкости использующегося термоинтерфейса. Различные материалы имеют свою способность к деформации, которая может достигать 1 мм при использовании мягкой прокладки толщиной в несколько миллиметров.

Пример, иллюстрирующий установку термопрокладки средней твердости между радиатором и печатной платой (иллюстрация с igorslab):

Для точного измерения размера зазора (промежутка) между плоскостью радиатора и охлаждаемой поверхностью удобно использовать калиброванные металлические пластины (толщиномер). При его покупке следует ориентироваться на модели, в которых шаг между соседними толщинами составляет 0.05-0.1 мм.

Пример толщиномера (Blade Thickness Metric Filler) с подходящим шагом в диапазоне 0.05-1mm, который можно использовать для измерения величины зазора при подборе прокладок:

Измерения нужно производить с присоединенным к плате устройства радиатором. При этом между кристаллом GPU и пластиной охлаждения необходимо вставить прокладку толщиной примерно 0.1 мм, которая будет имитировать термопасту (это может быть кусочек обычной бумаги для принтера).

Как выбрать материал для термопрокладки?

В настоящее время производится достаточно большой ассортимент термопрокладок, имеющих различные технические характеристики. Основной является thermal conductivity — величина термопроводности прокладки (измеряется в W/mK):

Чем больше величина теплопроводности (число W/mK), тем выше эффективность отвода тепла от горячих микросхем.

При выборе термопрокладок, кроме толщины и термопроводности, следует обращать внимание на такие параметры, как:

  • электропроводность (сопротивление/напряжение пробоя);
  • диапазон рабочих температур;
  • плотность;
  • твердость;
  • токсичность;
  • огнестойкость (воспламеняемость);
  • прочность на разрыв;
  • коэффициент теплового расширения (важен для твердых термопрокладок);
  • стоимость.

Как правило, чем выше плотность и твердость прокладки, тем лучше ее теплопроводность (Thermal Conductivity).

Рейтинг теплопроводности различных термопрокладок и материалов, W/mK (Вт/мK):

  • медная термопрокладка — 390-401;
  • алюминий — 237;
  • прокладки из оксида бериллия (BeO) — 209.3;
  • керамические подложки из нитрида алюминия (AlN) — 170-260;
  • силикон-карбидные керамические прокладки (Silicon Carbide Ceramic) — 148;
  • плитка облицовочная — 105 (керамика имеет очень хорошую теплопроводность);
  • олово — 67;
  • Thermal Grizzly Carbonaut — 62.5;
  • свинец — 35.3;
  • графитосодержащие термопрокладки (IC Graphite Thermal Pad) — 35;
  • прокладки из оксида алюминия (Al2O3) — 22-31;
  • Alphacool Eisschicht — 17;
  • Fujipoly SARCON XR-m — 17;
  • Gelid GP-Ultimate (TP-GP04-A, TP-GP04-S-B, TP-GP04-S-C, TP-VP04-D и т.д.) — 15;
  • Iceberg Thermal DriftIce — 13;
  • Thermalright Odyssey — 12.8;
  • Gelid GP Extreme (TP-GP01-MP, TP-GP01-E, TP-GP01-B) — 12;
  • t-Global TG-X — 12;
  • силикон-карбидные термопрокладки (Silicone Carbide Insulation Material Thermal Pad) — 9 и выше;
  • Halnziye HY-100-4 Dark Grey — 8;
  • 3KS 3K800 (Tpr-3K8W-G40, Tpr-3K8W-G30, TPr-3K8W-G20) — 8;
  • Thermal Grizzly Minus Pad 8 — (TG-MP8-120-20-15-1R) — 8;
  • силиконовая термопрокладка ARSYLID TP650 — 6.5;
  • Halnziye HY-100-3 — 6;
  • Arctic Thermal Pad (ACTPD00019A, ACTPD00004A) — 6;
  • ExeGate EPG-6WMK — 6;
  • t-Global TG6050 — 6;
  • Fujipoly Sarcon Gr-m — 6;
  • Laird Tpli 260 и 210 — 6;
  • 3KS 3K600 (Tpr-3K6W-R50, Tpr-3K6W-BK40, TPr-3K6W-R24) — 6;
  • Laird TFlex 740 (Laird TFlex 720) -5;
  • Wakefield-Vette uTIMIFLUX — 5;
  • Bergquist GP5000S35, Bergquist GAP PAD HC — 5;
  • Phobya Ultra Thermal Pad — 5;
  • каптон — 4.63;
  • Timtronics TIM-PAD 1041 — 4.1;
  • t-Global TG4040 — 4;
  • Halnziye HY-100-1 (HY100-50-05) — 4;
  • EKWB Thermal PAD G — 3.5;
  • Bergquist GP3000S30 — 3;
  • Laird TFlex 640 — 3;
  • Alphacool 12198 — 3;
  • Bergquist GAP PAD HC 3.0 — 3;
  • термопрокладки с диоксидом циркония — 2.4;
  • Halnziye HY-100 — 2;
  • Gembird TG-P-01 — 2;
  • изоляционная силиконовая прокладка BM-180-030 (армирована стекловолокном и полиамидным волокном) — 2;
  • подкладка ситалловая (НВЧ-ситал, стеклокерамический материал, содержащий оксид и нитрид алюминия) — 1.67 (материал имеет грубый микрорельеф, потому мало подходит для охлаждения микросхем);
  • Bergquist GP1500R — 1.5;
  • термопрокладка PM150 — 1.5;
  • термоскотч Aikenuo (синий) — 1.5;
  • Номакон КПТД-2/3 — 1.4;
  • Arctic Thermal Pad Basic (ACTPD00020A) — 1.2;
  • Akasa AK-TT300-01 — 1.2;
  • синяя силиконовая прокладка (OEM, HLV, TISHRIC, Спартак и другие названия, в том числе Noname с AliExpress) — 1.2, лучшие экземпляры — до 3.5;
  • стекло — 1.15;
  • Номакон КПТД 2/1-0.20 — 1;
  • термопроводящая липкая лента 3M (белая) — 0.6;
  • слюда — 0.2;
  • ПВХ-изолента (синяя) — 0.19;
  • силиконовое масло — 0,16-0.17;
  • резина — 0.15;
  • воздух — 0.022 (в связи с малой теплопроводностью воздуха, если прокладка не прилегает к охлаждаемому компоненту то эффективность теплоотвода становиться ниже в десятки и даже сотни раз).

Термопрокладки GAP PAD HC 3.0 фирмы Bergquist:

При покупке термопрокладок нужно ориентироваться на данные об их характеристиках от производителя. В случае если их нет, то ориентиром может стать их цвет. Обычно, чем темнее прокладка, тем лучше у нее должна быть теплопроводность (это справедливо не во всех случаях).

Ориентировочная информация о связи цвета термопрокладок с их теплопроводностью:

  • серый – 5 W/mK;
  • голубой – 3 W/mK;
  • зеленый – 1.5 W/mK;
  • розовый – 1 W/mK.

При выборе термопрокладок, кроме теплопроводности, нужно обращать внимание на их твердость.

Очень мягкие прокладки из терморезины обычно содержат гель (силиконовое масло), который при высоких температурах может вытечь, что ухудшит теплопередачу, приведет к затвердеванию прокладки, потере ею эластичности, увеличит накопление грязи на плате и т. д. В то же время, мягкие прокладки очень эластичны, благодаря чему эффективнее заполняют пространство между микросхемами и радиатором:

Очень твердые прокладки должны быть идеально подогнаны по толщине, в противном случае неизбежно появление перекосов и отсутствие охлаждения в самых неподходящих местах. При установке термопрокладок из меди, алюминия и других твердых материалов необходимо промазывать термопастой место их соединения с охлаждаемыми электронными элементами и радиатором. Это ухудшает коэффициент теплопроводности. Чем тоньше слой нанесенной пасты и отполированнее поверхность твердой термопрокладки/радиатора, тем меньше теплопотерь и выше эффективность такого термоинтерфейса.

Изображение с информацией о твердости прокладок по Шору из различных материалов (по материалам сайта igorslab):

По мнению авторов сайта igorslab, лучше всего выбирать термопрокладки с твердостью класса A по Шору, которые имеют диапазон твердости от 0 (желатиновая консистенция) до 100 (твердый пластик).

Условная градация термопрокладок и других материалов по степени их твердости/эластичности:

  • Желатиновая консистенция (Gelatine или “jelly”) — 0;
  • Мягкий мармелад (Soft gummy bear) — 10;
  • Ультрамягкие прокладки (Ultra-soft pads) — 12-20;
  • Жевательная резинка — 20;
  • Термопрокладки нормальной жесткости (Normal pads) — 21-30;
  • Твердые термопрокладки (Hard pads) — 31-40;
  • Резина автомобильных шин (Car tyres) — 50-70;
  • Твердый пластик (Hard plastic) — 100.

Термопрокладки с нитридом алюминия (Aluminum Nitride Plate), имеющие очень хорошую теплопроводность:

Заключение

Какие бы качественные прокладки не использовались, со временем они теряют свои полезные свойства, утрачивают эластичность и теплопроводность. В связи с этим, при чистке видеокарт и других устройств, использующихся для майнинга, следует проверять качество прокладок и, при необходимости, производить их замену.

В случае, если нет термопрокладок необходимой толщины, можно делать слоеный пирог из нескольких прокладок, набирая нужный размер итогового термоинтерфейса. При установке новых термопрокладок нужно не забывать снимать с них защитную пленку.

Так как термопрокладки со временем достаточно сильно прилипают к охлаждаемой поверхности, при демонтаже систем охлаждения следует проявлять аккуратность и не спешить отделять радиатор от печатной платы. Это часто приводит к повреждению термопрокладок, их разрыву или расслоению.

При установке новой термопрокладки ее нужно раскатывать по поверхности чипа, удаляя воздух между ними.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English English Русский Русский