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 качественной термопастой место их соединения с охлаждаемыми электронными элементами и радиатором, а также учитывать электропроводимость. 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.

P.S. Информация о толщине прокладок, в мм, на некоторых видеокартах (по данным GpuZelenograd):

• Gigabyte 1050ti OC

  • 1.0 VRAM, nothing at power

• EVGA GeForce GTX 980 Ti SC+ GAMING ACX 2.0+

  • 1.5 (1.2): VRAM, power mosfet, DrMOS

  • 2.0: back VRAM, back power

• Gigabyte 980Ti G1 GAMING

  • 1.0: power mosfet

  • 1.5: VRAM

  • 3.0: back power, back VRAM, back VRAM power

• Asus Strix 1050ti

  • 1.5: Power

  • 2.0: Back

• Palit Jetstream 1070ti

  • 2.5: Back

  • 1.5: Gddr5, VRAM Mosfet, Main mosfet

• Palit Jetstream 1080ti

  • 2.5: Back

  • 1.5: Gddr5x, VRAM mosfet, VRAM inductor

  • 1.0: Main mosfet, main inductor

• Palit Gamerock 1080ti

  • 2.5: Back

  • 1.5: Gddr5x, VRAM mosfet, VRAM inductor, Main DrMos, Main doubler, main power input capacitors

  • 0.8/1.0: main inductor

• Palit Gamerock 2080

  • 2.2(2.5): Back

  • 2.0: VRAM, mosfet, switchable mosfets (2 groups), 3 ICS

  • 0.5: input capacitors, main inductor

• Palit Dual 2080

  • 1.0: inductors

  • 2.0: VRAM, main DrMos, VRAM mosfet

  • 3.0: front power balance

• Palit Dual 1080

  • 1.2(1.5): VRAM

  • 2.0: main DrMos, VRAM mosfet

• EVGA 1080 FTW

  • 2.0: Back

  • 1.5: Gddr5x, mosfet

• MSI Duke 1080ti

  • 3.0: Main power inductors

  • 2.5: Back with plastic keeped

  • 2.0: Main power out capacitors

  • 1.5: main power drivers; 2 PWMs; 2 power ICs

  • 1.0: Gddr5x, main power mosfet, VRAM power mosfet

• MSI Gaming 1080, 1070ti

  • 2.5: Back with plastic keeped, inductors line support

  • 2.0: 2 ICs near VRAM

  • 1.5: power mosfets and drivers

  • 1.0: Gddr5x, 3ICs near power, round output capacitors line support

• MSI Gaming X 1080ti

  • 2.5: Back with plastic keeped

  • 1.5: main power drivers; mem power; 1 IC between VRAM and video outputs

  • 1.0: Gddr5x, main power mosfet, 2ICs near power

• MSI Gaming X 580

  • 2.8(3): Back with plastic keeped

  • 1.5: main power drivers; mem-related power; main PWM

  • 1.0: Gddr5, main power mosfet

• Sapphire Nitro+ 480 (E347)

  • 0.5: Back under power

  • 2.5: Back

  • 1.25: GDDR5

  • 0.8(1): power mosfets

• Sapphire Pulse 570 (E353)

  • 2.5: Back

  • 1.3(1.5): GDDR5

  • 1.0: power mosfets

  • 0.5: Back under power

• Sapphire Pulse 580 (E353, E387)

  • 2.5: Back

  • 1.0: GDDR5, power mosfets

  • 0.5: Back under power

• Sapphire Nitro+ 570/580 (E366)

  • 2.5: Back with plastic

  • 0.7(1): GDDR5

  • 0.7(1): power mosfets

  • 0.5: Back under power

• Asus dual 580

  • 1.0(use 1.5) - power mosfets

• Asus Strix 480

  • 0.5: VRAM (small bracket)

  • 1.5: near VRAM (small bracket)

  • 1.5: power (may be different on revisions)

  • 3.0: back

• Asus Strix 580

  • 1.3(1.5): VRAM

  • 1.5: power

  • 2.7(3): back

• Asus Strix 1080ti

  • 1.0: VRAM

  • 1.5: power

  • 3.0: back

• Asus Strix 2070

  • 1.0: VRAM

  • 2.0: power

  • 3.0: back

• Asus dual 2080, Strix 2080

  • 1.5: power, VRAM

  • 3.0: back

• Asus turbo (1070ti, 1080)

  • 1.5: power, VRAM

• Inno3d ichill 1070ti

  • 1.0: VRAM front, power front

  • 2.7(3): DrMos back, VRAM back

  • 2.5: back with plastic

  • 4.0: center back

• Inno3d ichill X3 1080ti

  • 0.8: inductor

  • 1.0: VRAM front

  • 1.5: power front

  • 2.7(3): DrMos back, VRAM back, VRAM pwm front

  • 4: mem center back

• Inno3d 2080ti

  • 1.0: VRAM front, long DrMos

  • 2.5: short DrMos

  • 3.0: back

• Gigabyte 2070 Gaming

  • 0.8: VRAM, input capacitors & inductors line

  • 1.25: DrMos, indutors, gpu out capacitors

  • 2.5: back

• Gigabyte 2070 Aorus

  • 0.8: VRAM

  • 1.0: VRAM mosfets, cpu mosfets, VRAM indutor, gpu indutor, gpu out capacitors

  • 2.0: gpu input capacitors

  • 3.0: back

• Gigabyte 1080ti Aorus

  • 0.5: gpu inductor, VRAM round capacitor

  • 1.0: VRAM indutor

  • 1.5: VRAM, out gpu power capacitors, in gpu power capacitors, back out gpu power capacitors

  • 2.0: power mosfets

  • 3.0: back GPU, back VRAM, back power, back VRAM power, VRAM mosfets betweeen Cs

  • 4.0: side VRAM mosfets

• Gigabyte 1080 Aorus X

  • 0.4(0.5): gpu inductor

  • 1.0: back out gpu power capacitors

  • 1.5: VRAM, out gpu power capacitors

  • 2.0: back GPU "X", power mosfets

  • 3.0: back memory, back gpu power

• Gigabyte 570 Aorus

  • 0.4: VRAM

  • 1.5: power mosfets, inductors

  • 3.0: back

• Gigabyte 580 Gaming

  • 0.5: VRAM

  • 1.5: power mosfets, inductors

  • 2.5: back

• Gigabyte 1080 G1 Gaming

  • 0.5: VRAM

  • 0.8: inductors,power mosfets

  • 2.0: back power mosfets

  • 2.5: back memory, back memory power

• Gigabyte 1080 Turbo

  • 0.5: power mosfets

  • 0.8: inductors

  • 1.5: VRAM

• Gigabyte 1080ti Gaming (no back, don't tighten the screws too much - otherwise pcb deformates and memory cooling suffers)

  • 0.5: VRAM, gpu inductor

  • 0.5/1.5: gpu power 12v caps

  • 2.0: gpu power mosfet

  • 3.0: VRAM power 12v caps

  • 4.0: VRAM power mosfet

• Zotac p102-100

  • 1.5: VRAM, VRAM power

  • 1.0: gpu power mosfet

• Gigabyte p106-100

  • 1.5: VRAM

  • 1.1(1.5): gpu power mosfet

• Gigabyte 1070 ITX

  • 0.4(0.5): VRAM

  • 1.0: back power

  • 1.5: gpu power mosfet, power inductor

  • 1.5: back VRAM

• Galax P106-100

  • 6+1.5: VRAM

  • 1.5: VRAM,power mosfets

• Galax P104-100

  • 0.8(1): power mosfets

  • 1.5: VRAM

• EVGA 1660s 06G-P4-1068-KR

  • 2.5: back

  • 5/10+2.5: VRAM

• Gigabyte 2070Super

  • 1.0: VRAM, inductor, mosfet

  • 2.0: power 12v caps

  • 2.5: back

• Vega Turbo

  • 0.8:Inductors

  • 1.0:GPU Mosfets

  • 1.5:VRAM Mosfet

• Palit Gaming Pro OC GA102-200

  • 1.0:front VRAM, 2groups inductors, isolated inductor, 2groups power

  • 1.5:small front isolated DrMos

  • 2.0:small front PEXVDD

  • 2.0:back VRAM, 2groups power back

• Palit Gaming Pro OC GA102-300

  • 1.0:front VRAM, back memory, 2groups inductors, isolated inductor, 2groups power

  • 1.5:small front isolated DrMos

  • 2.0:small front PEXVDD

  • 2.0:2groups power back

• Strix GA102-200

  • 0.5(1):back 2x power out capacitors

  • 1.5:mosfets (2 lanes)

  • 2.0:VRAM

  • 2.6(2.5):inductors

  • 2.5(3):back VRAM, back mosfet

• Ventus ga102-300

  • 1.5: DrMos, 2x front PWMs, Isolated DrMos, Pex PWM

  • 2.3(2 front, 2.5back): memory

  • 3.0: inductor, alu capacitors

  • 3.5(4): DrMos back

  • 1.5(2): sides thermal connection

• Suprim X ga102-300

  • 1.5:front flat capacitors (2 lanes)

  • 2.0:sides thermal connection, front inductors, Front DrMos (2 lanes), 5 big front ICs, 1 small front IC

  • 2.5:front VRAM, front PCIe power

  • 3.0:back VRAM

  • 3.3:back DrMos

• Inno3d ichill ga102-200

  • 1.0: DrMos front, VRAM front

  • 2.0: Inductor Front, 2x isolated DrMos Front

  • 2.7(3): DrMos back, mem back

• Inno3d ichill X4 ga102-300

  • 0.7(1):VRAM front

  • 1.0:mem back

  • 1.7(2): DrMos front, Back Isolated DrMos

  • 2:Inductor Front, 2x isolated DrMos

  • 2.7(3): DrMos back

• Palit Dual ga104

  • 2: VRAM front, mem power

  • 1: drmos group

• Gainward Phoenix ga104

  • 0.7(1):VRAM front

  • 1.0:drmos group, 5 isolated ICs, long inductors group, 2 small inductor groups.

• Aorus ga104-12GB

  • 1.0: mem, mosfet, inductor

  • 3.0: back

• Asus strix 5500XT

  • 1.0(?): VRAM front

  • 0.8(1.0): power front

  • 4.0: VRAM back