На рынке присутствует множество термопаст, многократно отличающихся как ценой, так и заявленной теплопроводностью. Поскольку проверить этот параметр на практике не так просто, а в реальных условиях использования слишком много неизвестных и плохо поддающихся контролю переменных, неизбежно возникает вопрос — за что просят весьма немалые деньги? Попытался на экспериментальном стенде не просто сравнить между собой три разных термопасты по принципу «лучше — хуже», но и приблизительно оценить теплопроводность каждой, сравнив с данными производителя. Подробности ниже.
В качестве испытательного стенда использовал уже знакомый читателям моих предыдущих
обзоров мощный транзистор, прикрученный на массивный радиатор.
Там же все детали методики были описаны более подробно, сейчас совсем кратко.
Так как, несмотря на большую массу, температура радиатора в процессе измерений заметно подрастает, он дополнительно помещен в контейнер с водой, обладающей большой теплоемкостью.
Температура измеряется при помощи термопары
которая по очереди помещается то в глухое отверстие в радиаторе, просверленное наклонно рядом с фланцем, то на фланец транзистора. И отверстие, и фланец в месте контакта с термопарой смазаны термопастой.
Напряжение и ток подобрал так, чтобы на тразисторе рассеивалась мощность 50 Вт
Для того, чтобы получить количественное значение коэффициента теплопроводности, термопасту необходимо нанести слоем известной толщины. Для этого по краям фланца наклеил две полоски изоленты толщиной 0.15 мм. Так как в комментариях к предыдущему обзору меня справедливо упрекали, что без синей изоленты никакой обзор не может считаться полным, исправлю этот досадный недостаток и возьму СИНЮЮ изоленту :)))
На всякий случай нужно проверить толщину, с этим все в порядке (лента в два слоя)
и попробовать на глаз оценить равномерность получившегося зазора, вроде тоже неплохо
Общая площадь металлической части основания составляет 210 мм², площадь свободной от изоленты части примерно 160 мм².
Чтобы по возможности исключить влияние силы прижима на толщину слоя (как за счет сжимаемости изоленты, так и в силу прогиба фланца), для затягивания прижимного болта использовал динамометрическую отвертку с усилием 0.5 Н*м
В качестве первого испытуемого взял всем хорошо известную пасту КПТ-8. Её теплопроводность заявлена в диапазоне 0.65 — 1 Вт/(м*К).
Наносить пасту одно удовольствие — жидкая, хорошо прилипает к поверхности, легко выравнивается
По фотографии можно подумать, что слой очень толстый, но это не так. После установки транзистора на радиатор по бокам выдавилось совсем чуть-чуть
Немного забегая вперед покажу, как выглядели радиатор и фланец после снятия транзистора
Хорошо видно, что слоем термопасты был заполнен весь зазор, но она не затекла между радиатором и изолентой (немного ее испачкал при отрывании транзистора).
После включения источника питания и небольшого ожидания, измеряю температуру радиатора, затем фланца транзистора и снова радиатора
По графику видно, что перепад температур ΔT примерно 43℃. Подставив в формулу
θ = (P*d) / (S*ΔT)
мощность P = 50 Вт, толщину слоя d = 0.15 мм и площадь 160 мм², получим значение теплопроводности θ = 1.1 Вт/(м*К). Это больше, чем указанное изготовителем значение, но тому есть простое объяснение. Изолентой прикрыта значительная часть фланца — примерно пятая часть, а её теплопроводность соизмерима с теплопроводностью пасты — примерно 0.3 Вт/(м*К). (Измерения теплопроводности изоленты были проведены мною в недавнем
обзоре). Поэтому её нельзя считать идеальным теплоизолятором. Поток тепла через изоленту составит 0.3 Вт/(м*К) * 50 мм² * 43 К / 0.15 мм = 4.2 Вт. С учетом этой поправки теплопроводность КПТ-8 получается ровно 1 Вт/(м*К). Что же, производитель ни в чем не обманул, придраться не к чему :).
Следующая на очереди паста Prolimatech PK-3. Её заявленная теплопроводность 11.2 Вт/(м*К).
Тюбик куплен более 5 лет назад. Паста изначально очень густая и плохо прилипающая к поверхности, за время хранения эти свойства только усугубились. Нанести её тонким слоем нет никакой возможности, приходится накладывать кусочками, рассчитывая, что прижимом её распределит по всему зазару.
После установки транзистора на радиатор небольшое количество пасты выдавилось по краям
а после демонтажа я обнаружил вполне ровный отпечаток без «залезания» пасты на изоленту
Перепад температур с этой пастой в восемь раз ниже, чем с КПТ-8, и составляет примерно 5℃
Вычисленная в результате расчетов теплопроводность — 9.3 Вт/(м*К), что на 16% меньше заявленной. Можно не обращать внимание на это расхождение, списав на погрешности эксперимента. Можно предположить, что за время хранения свойства пасты немного ухудшились (лично мне это кажется маловероятным). Быть может, её слой, в силу большой густоты, оказался чуть толще. А может производитель немного слукавил, указав максимальное значение, которое несколько колеблется от партии к партии. А может это комбинация всех перечисленных и каких-то других факторов. В любом случае, полученное значение в 9 раз превосходит теплопроводность КПТ-8, и это существенно. 900%, а не 16%!
И, наконец, последний участник теста — паста GELID GC-Extreme. На упаковке её теплопроводность не указана, на сайте изготовителя приводится значение 8.5 Вт/(м*К). Пасте также приблизительно 5 лет.
Паста также достаточно густая, но намного лучше, в сравнении с PK-3, липнет к поверхности, поэтому наносить её намного легче
Излишки по краям совсем маленькие, думал, что получилось очень точно угадать с количеством нанесенной пасты
Но после демонтажа увидел, что пасты чуть-чуть не хватило до верхнего края, там остались небольшие пустоты
Перепад температуры с этой пастой примерно 7℃
а полученное в результате расчетов значение теплопроводности 6.6 Вт/(м*К). Это опять меньше, чем заявлено производителем, но ко всем указанным выше причинам могу добавить еще одну — небольшие пустоты в слое из-за недостаточного количества пасты. Переделывать опыт поленился, даже такое значение довольно близко к заявленному.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Первый и самый очевидный вывод — термопасты из верхней ценовой группы действительно многократно превосходят по теплопроводности широко распространенную дешевую КПТ-8. В случае Prolimatech PK-3 отличие в 9 раз!
Важно ли это в практическом плане? Думаю, что однозначного ответа не существует. Если поверхности хорошо обработаны и зазор между ними может быть сведен к 10-20 микронам (именно до такой толщины я раздавил густую Prolimatech PK-3 при подготовке
обзора), столь значительная разница в теплопроводности может вылиться в несущественные 1-2℃ даже при достаточно высокой рассеиваемой мощности и небольшой площади контакта. В случае транзистора, устанавливаемого непосредственно на радиатор, именно так у меня и
получилось. Но уже при толщине слоя в 0.15 мм (а это не так уж и много, если основание радиатора имеет выгнутую форму) разница в температурах будет далеко не 1-2℃, а 5℃ в случае хорошей пасты и более 40℃ — с КПТ-8! Так что решение нужно принимать с учетом всех обстоятельств.
Всем добра! Конструктивные комментарии горячо приветствуются.
Maksus, спасибо за техничный эксперимент.
А в качестве прокладки можно было использовать 1-2 слоя (по толщине) обычной канцелярской мелованой бумаги, типа Светокопия или подобной 80гр/метр
В итоге была такая табличка, которую в принципе также можно дополнить, так как можно использовать тот же «стенд» с той же методикой.
По факту покатит любая смывка с D-Limonene, он как раз и пахнет цитрусовыми, т.к. из них и сделан.
Ну и по назначению, не только раз в год.
PS: Смывка клёвая, лет 10 пользуюсь.
сводя на нет перспективную дебютную идею.
Впрочем, я соглашусь, что изолента в таком качестве совсем не идеальна, но ничего лучше под рукой не оказалось.
З.Ы. И в идеале, использовать как трафарет, убирать после нанесения. Соответствие теплопроводности пасты заявленным характеристикам — конечно интересно, но оторвано от реальности. Да и смысл имеет измерять при более толстом слое, меньше будет погрешность. А вот как одна и таже порция термопасты обожмется — другой вопрос. В реальности, при использовании термопасты с худщим коэффициэнтом теплопроводности, может получится лучший результат, только из-за того, что под одним и тем же прижимом, она распредилилась более тонким слоем.
Так что, оно может показать значительно хуже результаты.
Алюминиевой пудры 27%. Вы правы, кладут её :).
Хотел взять, теперь, наверное, остановлюсь на МХ-4.
2. Если измерения не разовая операция, то переставлять термопару не самое технологичное решение. Или две термопары, либо два терморезистора (ну, или иных термодатчика, хоть цифровых, лишь бы минимальных габаритов). Примененный транзистор с изолированным фланцем, для лучшего контакта с термодатчиком в моем варианте было бы лучше голый. Или транзистор привинтить (или вообще припаять) к теплораспределительной пластине, и к ней же датчик.
3. И для лучшей «технологичности» не штатным винтом к радиатору, а каким-нибудь рычагом/пружиной.
2. Перестановка термопары кажется не самым лучшим решением, но «работает» очень неплохо. Посмотрите как хорошо график совпадает с двумя наклонными желтыми линиями, и с какой точностью возвращается на нижнюю, когда шарик переносится с фланца обратно в отверстие радиатора
Перепад температур здесь всего полградуса.
Это было бы замечательно, но уж слишком заморочно.
2. Работает, конечно. Просто это не очень удобно механически. Ну раз, два измерить — какая разница? А вот если захочется серию из десятка разных, тут уже как-то надо минимизировать трудозатраты.
3. При наличии подходящих подручных материалов — да без проблем! Хоть бы два кусочка толстой (миллиметров пять) дюралевой пластины — засверлить под термодатчики, одну пластину на радиатор, к другой транзистор, между пластинами трафарет. Опять же — этим имеет смысл заниматься ради серии экспериментов, а для разовой работы как было сделано в обзоре, вполне правильно, на мой взгляд.
Я согласен, что методика не идеальна и её можно улучшить. Но кому это нужно? Своё любопытство я удовлетворил, с другими поделился. Как ни думал — ошибки даже в два раза никак быть не может, а плюс/минут процентов 20-30 — меня более чем устраивало.
Фланец Вы измеряете в 0,5-сантиметре от кристалла, а по пути теплопоток уходит в радиатор.
Что такое «температура корпуса» отдельный вопрос, там перепады в десятки градусов на расстоянии в сантиметр :).
Фланец выполнен из меди с теплопроводностью примерно 400 — на два порядка выше, чем у пасты. Поэтому температура фланца более-менее постоянна на всей площади.
Это в сабжевом опыте или вообще?? Чтой-то странно. Тс важна (и адекватна) только непосредственно под кристаллом, боковые части немного улучшают теплоотвод, но сильно теряют температуру при этом —
Вы не понимаете — если между фланцем и радиатором есть интерфейс с бесконечно малым термическим сопротивлением — то да, будет как вы говорите. Чем ближе к кристаллу, тем температура выше. Но если между фланцем и радиатором есть интерфейс с плохой теплопроводностью (сильно хуже, чем у фланца), то температура по всему фланцу почти выравняется. То есть какой-то градиент, конечно же, будет, но чем больше отличие термосопротивлений фланца и интерфейса, тем он будет меньше. Ну представьте, в конце концов, что транзистор вообще никуда не прикручен, охлаждается только конвекцией. Будет фланец под кристаллом горячее, чем по краям? Учитывая, что это медная пластина толщиной полтора миллиметра:). А если между фланцем и радиатором идеальный теплоизолятор? :)
Доб.
Минусы не мои, я только за хамство могу поставить.
Здесь, видимо, пластик охлаждается металлом фланца по краям, иначе я не вижу причины для такого градиента((
Не, просто путаю 2 случая) Пардон) Тогда непонятно, почему такой перепад Т верхней части корпуса… На фото транзистор тоже через 270мкм пасты охлаждается?
На фото транзистор установлен на радиатор только через термопасту, без всяких прокладок. Толщина слоя микрон 10-20 или около того.
Я опять не понимаю. Температура фланца градусов 35. Корпус пластиковый, пластик обладает плохой теплопроводностью. Непосредственно над кристаллом он горячий (а как еще может быть? температура кристалла выше, чем фланца, на величину Р*Rthj-case, то есть в моем случае Тс = 0,83*50 +35 =75С). А по краям пластик еле теплый — снизу холодный фланец, где-то в стороне и глубине горячий кристалл :).
Или вы какой-то другой перепад температур имели ввиду?
Тогда градиент по пластику (и меди) корпуса понятен.
Да не, я про охлаждение от краём медного корпуса и писал — стандартное крепление, в случае с сабжевым опытом (большое Rthc-hs) градиент будет на порядок меньше.
Кстати, «температура кристалла выше, чем фланца, на величину Р*Rthj-case» имхо ошибочно — перепад j-c считается в центре корпуса (под кристаллом), ибо именно это место отвечает за теплопередачу.
Сейчас еще подумал — если вы имели ввиду перепады температур на металлической части корпуса
Диаметр проволоки 0.25 мм
Ячейка 0.63 мм
скорее корпус транзистора треснет от усилия прижима )))
кстати, ещё бывает Сетка тканая микронная с ячейкой 0,025х0,025 мм
можно определить без пасты
затем с пастой
всё равно приходиться обсчитывать результаты замеров )))
Без пасты будет «сетка плюс воздух», с пастой — «сетка плюс воздух плюс паста». Такое никто не обсчитает )))
для защиты от пыли имхо — добротное решение
что по мне тест прикольный, но вот как прочитал то как выглядит стенд то сразу подверг сомнению повторяемость результата.
что по мне, стенд должен выглядеть следующим образом. брусок алюминия, да в той же воде на него приклеены дистанцирующие площадки определенной толщины с малой способностью к деформации и теплопроводности.
с другой стороны кубик из меди или алюминия который ставится на эти площадки или мимо них. и прижимается пружинкой.
а вот сверху этого кубика прикручен нагревательный элемент.
и вот тогда результаты тестов будут куда интереснее. легко и точно можно будет определять температуру как верхнего так и нижнего кубика, причем последовательно в 2 режимах в толстом слое, и в рабочем тонком.
так как если сделать слой в миллиметр и накидать в зазор кпт 8 смешанную с серебрянкой то она покажет неплохие результаты даже для хороших паст, но в тонком слое она работать не станет совсем.
вот такие мысли в слух.
выводы автора совпадают с моим мнением. за обзор зачет.
от кпт 8 не вижу причин отказываться в 99% случаев применения мною паст.
А вот что за софт использовался для рисования графика? Это что-то штатное к навороченному мультиметру или что?
Впрочем, при сильной затяжке корпус транзистора явно бы выгнулся и это повлияло бы сильнее, чем сплющивание изоленты.
Это скриншоты с мультиметра Keithley DMM6500. Желтые линии в комментарии выше уже в обычном графическом редакторе добавлены.
Подумалось — как дистанционную прокладку можно было бы использовать колечко из стальной (или, скажем, нихромовой) проволоки (но фланец все равно лучше было бы, наверное, по центру давить, что, впрочем, тоже проверяется при желании).
Или еще вариант — медицинские иголки. Колечко из них, правда, уже сделать не выйдет, но можно закрепить (любым способом) параллельно две штуки. Тут вообще теплопроводность «никакая» будет…
То есть, десятые доли — не проблема. Сотые — другое дело, тут уже нужен вольтметр точнее микровольта.
Ну а на самом деле типовая термопара «капелька» уже на единицах врать начнет, так как будут приличные погрешности именно из-за малой точки контакта. Так что сильно будет зависеть от того, температуру чего именно измеряем.
Разнице температур в 0.1С соответствует изменение напряжения в 4 мкВ, а у этого мультиметра разрешение 10 мкВ и точность хуже 20 мкВ. У Fluke 289 точность при измерении температуры (1%+1С), и он явно не хуже Овона, и даже не «средний класс».
В спецификациях DMM6500 точность измерения температуры дана в 0.2С, это хоть как-то соизмеримо с точностью измерения постоянного напряжения в 3.5 мкВ.
Другое дело, что как отметил выше Кирич, тут уже проявится другая проблема, а именно достоверная передача температуры от источника к термопаре (не забываем, что термопара обладает и приличной «утечкой» температуры по своим же металлическим проводам).
Лично я вполне добивался повторяемых результатов в десятые доли градуса от Owon в области низких температур, когда проверял работу термореле с обычным конвекторным нагревателем. И показания прыгали на несколько градусов, когда пытался измерить температуру жала паяльника.
Разве не это же самое написано в заключении? :)
Теперь вопрос, по идеалогии тестирования — какой толщины можно нанести полноценный (равномерный и качественный) слой каждой термопасты обзора? И, отсюда — какое тепловое сопротивление получится у этих паст? Т.е. отойти от «сфероконя» (абстрактных потерь) к чисто практической плоскости — то, насколько хорошо/плохо работает паста в конечном устройстве.
В вопросе предполагается, что радиатор ровный, пришлифован (скажем, на стекле), НЕ полирован. Объект установки, ну скажем, современный процессор с крышкой для PC. Можно взять и другую связку, TO220-радиатор.
По своему опыту, при качественном нанесении жидкие термопасты очень мало проигрывают густым. Если проигрыш «существенен», значит пасту наносили неверно (толсто или не-равномерно).
Там же и измерения при установке транзистора на радиатор через КПТ-8 и РК-3. Если кратко — разница в 1 градус.
Минусы не мои.
Ничего не имею против данного теста, но, всё-же, он «не о том». «Каплю» можно раздавить, а 10 капель — «увы», банально не хватит силы (я образно). Точнее, никто не будет давить так сильно, если речь о «процессоре». А для TO220 еще веселее, тепловой пятак находится совсем не там, где прижим. Густая паста просто не растечется (останется подушка). Только, чур, 'пальцами не давить' )).
В результате, выходит сравнение жидкой пасты с тонким слоем и густой с толстым. Так?
Т.е. данный обзор стоило дополнить некой характеристикой, вида — какая будет толщина слоя при размере поверхностей (см2) и усилии прижима (кг/см2) {ключевое понятие — разумной величины}.
Но, погонное сопротивление термопаст уже измерено в обзоре. Теперь остается смотать изоленту и повторить «то-же», но с установкой на объект (TO-
220247) известного груза. Получится другое сопротивление потерь. Первое на второе = толщина пленки;… и реальные потери в термопасте при реальной установке.Вес выбирается из размеров корпуса и силы прижима (приводится для некоторых паст в ТТХ). Либо еще банальнее — привернуть корпус «штатным» винтом «штатным» образом. (не до дури, конечно) ))
Что же до TO220 — корпус вообще очень неудачный в плане теплоотвода. Не случайно отечественные варианты даже комплектовались штатными пружинами (которые, впрочем, тоже далеки от совершенства). А там, где критичен теплоотвод — зажимают планками или опять же пружинами, не полагаясь на крепление за ухо.
собственно тот тест интеграционный, как раз показывает как они себя поведут в «обычных» условиях доступным всем. в т.ч. тестируется и удобство нанесения.
вобщем-то рынок паст к этому ж и пришел. вместо того, чтобы требовать строжайших условий нанесения тончайшим нанослоем сделали продукцию для широких масс, которая допускает некоторую вольность и ошибки в процессе нанесения. т.е. ожидаемый результат достижимый почти во всех случаях.
а вот как они поведут себя в контролируемых условиях — особо неинтересно, потому что достижимость таких же условий вне стерильных лабораторных, крайне мала.
важнее не что мазать, а как.
в обществе нельзя говорить о религии, политике и о кпт-8.
Допустим, есть транзистор, рассеивающий 100 Вт мощности с пятном контакта к радиатору в 160 мм². Тогда 20 микрон КПТ-8 дадут разницу в 12.5º, а 20 микрон какой-либо пасты (назовем её П) с теплопроводностью 10 Вт/(м·K) позволит получить менее 1.5º.
А теперь подложим прокладку из керамики, и у нас будет уже два слоя термопасты. Для КПТ-8 теперь разница станет 25º, а для П — только 3º. Но если прокладка у нас из оксида алюминия (условная теплопроводность — 30 и толщина 1 мм), то на ней самой будет разница в 21º. То есть, 25 на пасту, 21 на прокладку. итого — 46º, весьма много. Очевидно, что в таких условиях КПТ-8 и прокладка из Al₂O₃ работать не будут.
С другой стороны, возьмем пасту П и прокладку из AlN, с условной теплопроводностью 250 и толщиной 0.625 мм. Тут уже получим 2.5º на 2-х слоях пасты и 1.6º на прокладке, то есть, всего порядка 4º. Совсем другое дело.
Но это были весьма экстремальные условия (100 Вт на 160 мм² контакта). Для 30 Вт и 200 мм² контакта на двух слоях пасты будет разница 6º, а на прокладке из Al₂O₃ — 5º, всего 11º. В случае же с пастой П всего будет порядка 6º. 6 и 11 — уже не такие разные числа, при том, что постоянное рассеивание 30 Вт на транзисторе — это не так уж и мало, в многих реальных схемах и того меньше.
Далее, в реальных условиях разницу между термопастами дополнительно снижают и все остальные тепловые сопротивления (кристалл-корпус, радиатор-воздух), плюс, скорее всего, свежая КПТ-8 весьма жидкая, поэтому её можно нанести более тонким слоем (скажем, 10 микрон), в итоге, часто она справляется вполне успешно.
Тем не менее, когда я делал линейный БП (рассеивание на транзисторе до 75 Вт) и перешел с КПТ-8 + Al₂O₃ на GD900 + AlN, разница в нагреве составила более 20 градусов.
при следующей замене проца специально намажу кпт вместо 900-й, сравню сам лично.
например, работа транзисторов в усилителе класса А (тот же JLH), когда к радиаторам не прикоснуться
Но все эти меры (радиатор, паста, вентилятор) — только чтобы из транзистора не вышел волшебный дым. ;)
Все собрал, запустил WoT… Примерно после часа игры вижу что макс. температура видюхи 84 градуса. В то время как раньше была 79 максимум. А мазал я тоже пастой КПТ8, но из шприца:
Намазал из шприца снова… И температура макс. видюхи стала 78-79. Разный производитель, и такая разница.
У mx-2 и mx-4 один результат, хотя по паспорту должна быть разница градусов 8, это явно не погрешность измерений. Разница между нормальной кпт-8 и «современными» пастами не такая дикая как в статье, но все равно приличная + у многих паст еще и вязкость ниже, т.е. в реальном применении проще добиться минимального слоя пасты.
У меня была кпт-8 в тюбике из статьи, очень жидкая, расслаивалсь, замеров не делал, но была явно хуже «нормальной», если паста в статье такая же, то на 1вт/мК она явно не тянет.
Теплопроводность импортных паст получилась немного ниже заявленной, поэтому маловероятно, что мой метод завышает результат. Скорее всего КПТ-8 качественная попалась.
Хотелось бы таким способом проверить список самых народных и качественных паст(MX-3, GD-900...)