Termal macun nedir?

İşlemci ile soğutucu arasındaki hava boşluklarını yok ederek ısıyı soğutucuya ileten termal macun hakkında her şey.

Termal macun, (Termal jel, termal bileşen, ısı macunu, soğutucu macun, ısı transfer bileşeni, ısı transfer macunu ya da soğutucu bileşen olarak da adlandırılır) işlemcilerin düz ve pürüzsüz olmayan yüzeylerinden dolayı soğutucu ile arasında oluşan mikroskobik hava boşluklarını doldurarak ısı iletkenliğini artıran, macuna yakın özelliklere sahip sıvı bir maddedir. Termal macun, havadan çok daha fazla iletkenliğe sahiptir. (Ancak iletkenliği metalden daha azdır.) Bilgisayar ve elektronik endüstrisinde bileşenlerin ısı dağılımını sağlamak için soğutucu ile bileşen arasında uygulanır.

Isı İletken Türleri

Termal macunlar bir ya da daha fazla farklı türde ısı iletken madde kullanır:

• Seramik tabanlı termal macun genelde iyi bir ısı iletkenliğine sahiptir ve ‘silikon macunu’ veya ‘silikon ısı bileşeni’ olarak da tarif edilebilen sıvı ya da jelatinimsi silikon bileşeninde bekletilen seramik tozundan oluşur. En sık kullanılan seramikler ve bunların ısı iletkenleri: berilyum oksit, alüminyum nitrür, alüminyum oksit, çinko oksit ve silisyum dioksit. Bu seramiklerin hepsi beyaz toz halinde oldukları için termal macun da genellikle beyaz renktedir.
• Metal tabanlı termal macun, katı metal parçacıklar (genellikle gümüş veya alüminyum) içerir. Daha iyi bir ısı iletkenliğine sahiptir ve seramik tabanlı macundan daha pahalıdır.
• Karbon tabanlı. Elmas tozu veya karbon lifleri kullanan karbon tabanlı iletkenlere dayalı termal macunlardır. En iyi ısı iletkenliğine sahiptirler ve genellikle metal tabanlı termal macundan daha pahalıdırlar.
• Sıvı metal tabanlı. Bazı termal macunlar galyumun sıvı metal alaşımlarından yapılmaktadır. Nadir bulunurlar ve pahalıdırlar.
• Faz Değişimi Metal Alaşımı (Phase Change Metal Alloy (PCMA) ‘macun’ değildir, ancak termal arabirim malzemesinin başka bir türüdür. Yüksek ısı altında (90-100C) “yeniden akışkan” olması gereken yalıtılmış metal alaşım yüzeyini oluşturur. Yalıtımın içindeki alaşım, fazları değiştirecek ve tüm mikro boşlukları dolduracaktır. Bu madde büyük ölçüde metal alaşımından yapıldığı için bu arayüz maddenin ısı özellikleri çok iyidir.

Tüm bu bileşenler ısıyı havadan daha iyi iletir, ancak metale göre iletkenlikleri daha kötüdür. Termal macun, soğutucu ve bileşen arasında bir tabaka yaratmak için kullanılmaz. Termal macunu uygulamaktaki amaç aradaki hava boşluklarını doldurmaktır. Arada bir macun tabakası oluşturmak, soğutucunun etkinliğini azaltacaktır. İdeal, tamamen düz ve pürüzsüz metalik yüzeyler, termal macun gerektirmez.

Amaç

Termal macun, elektronik ve bilgisayar endüstrilerinde tümleşik devreye veya transistor gibi yarı iletken bileşenden ısıyı uzaklaştırmak için soğutucuya yardımcı olarak kullanılır.

Termal iletken macun, ısı üreten bir bileşenin düz ve pürüzsüz olmayan yüzeyi ile soğutucunun benzer yüzeyine karşı uygulanarak hava boşluklarını doldurur ve soğutucunun etkinliğini artırır. Bileşen (Örneğin işlemci) ile soğutucu arasında yer alan hava, ısıyı iletmede alüminyumdan (yaygın bir soğutucu maddedir) yaklaşık 8000 kat daha az etkilidir.

Üretim teknolojisindeki kısıtlamalardan ötürü bileşenlerin yüzeylerinde bozukluklar meydana gelir. Çıplak gözle görünmeyen, yarı mikroskobik olan döküm düzensizlikleri gibi etmenler ve makine kusurları bileşen ile soğutucunun mükemmel temasını engeller.

Isı iletkenliği ve “uygunluk” (yani maddenin düzgün olmayan yüzeylerini uyumlaştırma özelliği) termal macunun önemli özelliklerindendir.

Amplifikatörler, yüksek güç beslemesi yapan transistörler ve Merkezi İşlem Birimi (CPU) gibi yüksek ısı üreten hızlı entegre devrelerini soğutmada  kullanılan soğutucuların etkinliğini artırmak için termal macun kullanılmaktadır. Alternatif olarak bu bileşenlerin yüzeyleri uygun malzemeler ile pürüzsüzleştirilerek veya yüzeye uygun yapıda bir soğutucu kullanılarak da termal macuna olan ihtiyaç ortadan kaldırılabilir. Özellikle de işlemci frekansını yükselterek işlemcinin daha fazla ısı açığa çıkarmasına neden olan hızaşırtmacılar, işlemci yüzeyini zımparalayarak düzleştirmekte ya da su ve azot gibi daha üst seviye soğutma sistemleri tercih etmektedirler.

Özellikler

Silikon termal bileşenlerde yer alan metal oksit ve nitrür parçacıkları 220 W/(m·K) ısı iletkenliğine sahiptir. (Parçacık eklemeleri kullanılan metallerin ısı iletkenlikleriyle karşılaştırıldığında, bakır 380 W/(m·K), gümüş 429 ve alüminyum 237’dir.)  Silikon bileşenlerinin tipik ısı iletkenleri ise 0.7 ila 3 W/(m·K) arasında. Gümüş ısı bileşenlerinin 3 ila 8 W/(m·K) arasında ya da daha fazla iletkenliği olabilir.

Asıltı parçacıklar içeren bileşenlerde sıvının özellikleri en önemli etken olabilir. Yukarıda görülen ısı iletkenlik değerlerinden de anlaşılacağı üzere, termal macunun iletkenlik değeri, metal veya sermaik bileşenlere nazaran sıvılara daha yakındır.

Bu bağlamda termal macunlarda önem taşıyan sıvı bileşenlerin diğer özellikleri şu şekildedir:

1. Boşlukları ne kadar iyi doldurduğu ve hem bileşenin hem de soğutucunun pürüzlü yüzeyini ne kadar uygun hale getirdiği.
2. Bu yüzeylere ne kadar iyi yapıştığı.
3. Gerekli sıcaklık aralığı içinde ne kadar tutarlılık sağladığı.
4. Zaman içinde kuruma ya da dökülmeye karşı ne kadar dayanıklı olduğu.
5. Zaman içinde parçalanıp parçalanmadığı ve oksidasyona ayrışıp ayrışmadığı.

Uygulama ve Çıkarma İşlemi

İşlemci soğutucuları, bileşenler arasında ısı transferini daha iyi gerçekleştirmek için farklı tasarımlar kullanırlar. Bazı termal macunlar en az 8 yıla kadar dayanıklıdır. Düz ve pürüzsüz yüzeylerde termal macunu işlemcinin ortasına uygulayın ve bir kart yardımıyla macunu yayarak mümkün olan en ince tabaka haline getirin. Böylece işlemcide oluşan ısı doğrudan soğutucuya iletilebilecektir.

Burada amaç hava boşluklarını yok etmek olduğu için işlemci ile soğutucu arasında oluşacak termal macun tabakası, ısı iletimine engel olacaktır. Gümüş tabanlı termal macun aynı zamanda elektriksel olarak iletken olduğundan biraz da olsa devrelere akarsa, arızaya ve hasara neden olabilir.

Zamanla bazı termal macunları kuruyabilir, ısı transfer kapasitesini azaltır ya da yapıştırıcı gibi olduklarından dolayı soğutucudan çıkarılması zorlaşır. Eğer çok fazla güç uygulanırsa işlemciye zarar verebilir. Kısa bir süre için bilgisayarı açıp işlemciyi yormak, macunu ısıtacak ve daha kolay sökülmesini mümkün kılacaktır. Soğutucunun her çıkarılmasında termal macunun yeniden uygulanması tavsiye edilir.

Silikon yağ tabanlı termal macun bir bileşenden ya da soğutucudan alkol (ispirto gibi) veya aseton yardımıyla çıkarabilir. Öte yandan yüzeyleri temizleme ve soğutucu macunu çıkarma amacıyla özel temizleyiciler de üretilmektedir.

Soldan sağa: Arctic Cooling MX-2 ve MX-3, Tuniq TX-3, Cool Laboratory Liquid Metal Pro( Sıvı Metal tabanlı), Shin-Etsu MicroSi G751, Arctic Silver 5, Powdered Diamond. In background Arctic Silver grease remover