Οδηγός επιλογής και εφαρμογής θερμοαγώγιμης πάστας (thermal paste)

«Καλή πάστα έβαλες;» Πόσες φορές άραγε κάνατε τη συγκεκριμένη ερώτηση σε κάποιον φίλο ή γνωστό που παραπονιόταν για τις υψηλές θερμοκρασίες του επεξεργαστή του; Και αν σας απαντούσε θετικά, η επόμενη ερώτηση σας δεν ήταν «τι τύπου»;

Η πρώτη ερώτηση φανερώνει τη σπουδαιότητα της χρήσης ενός θερμοαγώγιμου υλικού (γνωστού και ως θερμοαγώγιμη πάστα ή thermal paste, θερμοαγώγιμο γράσο ή thermal grease και TIM από το Thermal Interface Material) ανάμεσα στη ψύκτρα και τον επεξεργαστή του υπολογιστή. Η δεύτερη πιστοποιεί την ύπαρξη σημαντικών διαφορών ανάμεσα στις προτάσεις της αγοράς και κατ’ επέκταση στην απόδοση τους. [caption id="attachment_83136" align="aligncenter" width="1280"] © Intel®[/caption]

Γιατί χρειάζεται η θερμοαγώγιμη πάστα;

Τι είναι ωστόσο αυτό που κάνει τη χρήση του θερμοαγώγιμου υλικού απαραίτητη ανάμεσα στον επεξεργαστή και την ψύκτρα; Αν και με τον καιρό τα πράγματα έχουν βελτιωθεί σημαντικά στη λείανση των μεταλλικών επιφανειών, τόσο στην περίπτωση της βάσης της ψύκτρας -που συνήθως είναι χάλκινη- όσο και στη περίπτωση της ενσωματωμένης στη συσκευασία του επεξεργαστή μεταλλικής επιφάνειας θερμοδιάχυσης ή θερμικής διασποράς (IHS, Integrated Heat Spreader) που συνήθως είναι αλουμινένια, εξακολουθούν να υπάρχουν μικρές ατέλειες στον τρόπο κοπής και λείανσης (είναι αδύνατο να επιτευχθεί απόλυτη λείανση των επιφανειών και αν κοιτάξετε προσεκτικά θα διαπιστώσετε μικρές «χαρακιές ή αυλακώσεις»). Επομένως η επαφή μεταξύ του heatspreader του επεξεργαστή και της βάσης της ψύκτρας ή του waterblock (στη περίπτωση της χρήσης συστήματος υδρόψυξης) κάθε άλλο παρά τέλεια είναι καθώς υπάρχουν κενά. [caption id="attachment_83139" align="aligncenter" width="1280"] © Intel®[/caption] Ο αέρας από την άλλη, δεν αποτελεί και τόσο καλό αγωγό θερμότητας και τα μικρά διάκενα (από την κοπή του μετάλλου και τη διαδικασία λείανσης των μεταλλικών επιφανειών) που σχηματίζονται μεταξύ της μεταλλικής επιφάνειας θερμικής διασποράς που προστατεύει το die του επεξεργαστή και της βάσης της ψύκτρας συγκρατούν μικροποσότητες αέρα που επιβραδύνει τη ταχύτητα μεταφοράς της θερμότητας από τον επεξεργαστή στην ψύκτρα, δηλαδή από το θερμότερο υλικό στο ψυχρότερο. Το θερμοαγώγιμο υλικό θα πάρει τη θέση του αέρα στα μικροσκοπικά κενά αποτελώντας ουσιαστικά τον συνδετικό «κρίκο» ανάμεσα στον heatspreader του επεξεργαστή και τη βάση της ψύκτρας, αυξάνοντας ουσιαστικά την επιφάνεια επαφής και επιταχύνοντας τη μεταφορά της θερμότητας.

Διαφορετικοί τύποι

Οι εταιρείες φαίνεται να έχουν διαφορετική άποψη για το είδος του υλικού που μπορεί να τα καταφέρει καλύτερα στο συγκεκριμένο τομέα. Έτσι υπάρχουν προτάσεις που στη σύνθεση τους περιλαμβάνουν σιλικόνη, μικροσκοπικά ρινίσματα ή μικροσωματίδια μετάλλων (συνήθως αλουμινίου, ασημιού ή ακόμα και… χρυσού), κεραμικά υλικά (την εφαρμογή των υλικών αυτών βλέπουμε ακόμα και στα φρένα των ακριβών αυτοκινήτων) και τελευταίας τεχνολογίας πολυσυνθετικά υλικά αλλαγής φάσης (phase change). Η σιλικόνη αποτέλεσε αρχικά το κύριο συστατικό της σύνθεσης των περισσότερων προτάσεων στο παρελθόν. Υγρής μορφής με χαμηλό ιξώδες (μεγαλύτερη ρευστότητα) και με πολύ καλή θερμική αγωγιμότητα, παραμένει ιδιαίτερα δημοφιλής ανάμεσα στους κατασκευαστές ακόμα και σήμερα. Καθώς είναι μη ηλεκτρικώς αγώγιμη (electrical non-conductive) είναι ασφαλέστερη στη χρήση. Στη συνέχεια τα μικροσωματίδια αλουμινίου, χαλκού, οξειδίου του ψευδαργύρου, ασημιού ή ακόμα και χρυσού εισήλθαν στις «συνταγές» των κατασκευαστών για τα θερμοαγώγιμα υλικά του μέλλοντος. Τα θερμοαγώγιμα υλικά με μικροσωματίδια ασημιού ειδικότερα, αποδείχτηκαν εξαιρετικά αποδοτικά, επειδή το ασήμι είναι εξαιρετικά καλός αγωγός της θερμότητας μεταξύ άλλων. Παρόλα αυτά, λόγω του υψηλού ιξώδους (παχύρευστα), τα συγκεκριμένα θερμοαγώγιμα υλικά είναι πολλές φορές δυσκολότερα στην εφαρμογή τους ενώ επιπλέον κάποια από αυτά είναι και ηλεκτρικώς αγώγιμα με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν ορισμένο βαθμό επικινδυνότητας (ευτυχώς τα περισσότερα από αυτά δεν είναι). Μία παραλλαγή του παραπάνω τύπου θα λέγαμε πως είναι τα θερμοαγώγιμα υλικά υγρού μετάλλου (liquid metal), τα οποία είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά, αλλά ηλεκτρικώς αγώγιμα και επομένως επικίνδυνα στην εφαρμογή τους από χρήστες που δεν έχουν τη σχετική εμπειρία. Ορισμένα από αυτά δυστυχώς, μετά από αξιολογήσεις, ανακαλύφθηκε ότι έχουν διαβρωτικές ιδιότητες. Το υψηλό ιξώδες είναι και το βασικό μειονέκτημα των θερμοαγώγιμων υλικών που χρησιμοποιούν κεραμικά υλικά τα οποία όμως επιδεικνύουν εξαιρετική αντοχή, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και δεν είναι ηλεκτρικώς αγώγιμα. Γενικότερα, οι θερμοαγώγιμες πάστες αυτού του τύπου μπορούν να διαχειριστούν ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, έχουν χαμηλό ιξώδες (π.χ. 130-170 Pas) για ευκολότερη εφαρμογή και επιδεικνύουν χαμηλή θερμική αντίσταση (π.χ. 0,00035 K/W), υψηλή θερμική αγωγιμότητα (π.χ. 12 W/mK) και μηδενική, στην συντριπτική πλειονότητα τους, ηλεκτρική αγωγιμότητα (0 pS/m). Υπάρχουν επίσης και ορισμένες θερμοαγώγιμες πάστες που αξιοποιούν πολυσυνθετικά υλικά που επιτρέπουν την αλλαγή της κατάστασης τους. Δηλαδή λόγω της ειδικής τους σύνθεσης, η πρωταρχική κατάσταση του υλικού εφόσον έρθει σε επαφή με τον αέρα και θερμανθεί, δεν παραμένει ίδια, καθώς από υγρή μορφή αποκτούν μορφή στερεού.

Προετοιμασία

Όλοι σχεδόν οι επεξεργαστές απαιτούν κάποιο σύστημα ψύξης για να λειτουργήσουν αξιόπιστα και σωστά και με τη μέγιστη δυνατότητα απόδοσης, ωστόσο η διαδικασία εγκατάστασης της ψύκτρας ή ενός συστήματος υδρόψυξης διαφέρει πολλές φορές από υπολογιστή σε υπολογιστή. Κάθε ψύκτρα (στην περίπτωση που έχουμε να κάνουμε μία τυπική λύση αερόψυξης) ή waterblock (στην περίπτωση κάποιου συστήματος υδρόψυξης) χρειάζεται θερμική πάστα, ωστόσο πολλοί κατασκευαστές έχουν ήδη προχωρήσει στην προ-εφαρμογή της, γεγονός που απλοποιεί τη διαδικασία εγκατάστασης. Για να διαπιστώσετε αν το σύστημα ψύξης έχει ήδη προ-εφαρμοσμένη θερμοαγώγιμη πάστα (thermal paste) ή θερμοαγώγιμη ταινία (thermal pad), αρκεί να ρίξετε μία ματιά στο κάτω μέρος της ψύκτρας ή του waterblock, από την πλευρά που έρχεται σε επαφή με το άνω τμήμα του θερμοδιαχύτη (IHS) του επεξεργαστή. Αν υπάρχει, τότε καλό είναι να μην προσθέσετε άλλη κατά τη διάρκεια της εγκατάστασης. [caption id="attachment_83138" align="aligncenter" width="1280"] © Intel®[/caption] Αν από την άλλη εμπιστεύεστε περισσότερο μία aftermarket λύση, προχωρήστε στον καθαρισμό της προ-εφαρμοσμένης θερμοαγώγιμης πάστας ή ταινίας με τη βοήθεια ενός μαλακού, απορροφητικού πανιού. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων αρκεί ένα επίμονο και καλό σκούπισμα, ωστόσο αν παραμένουν υπολείμματα μπορείτε να εφαρμόσετε κάποιο εξειδικευμένο υγρό καθαρισμού για τέτοιες περιπτώσεις ωστόσο λίγη ισοπροπυλική αλκοόλη θα κάνει επίσης άριστη δουλειά. Σε αυτή τη περίπτωση, θα χρειαστεί να αφήσετε να περάσουν λίγα λεπτά για να στεγνώσει προτού εφαρμόσετε τη θερμοαγώγιμη πάστα και την ψύκτρα στη συνέχεια.

Τι να αποφύγετε;

Βεβαιωθείτε ότι θα χρησιμοποιήσετε τη σωστή ποσότητα θερμικής πάστας, η οποία είναι περίπου στο μέγεθος ενός μπιζελιού ή ενός μακρύκοκκου ρυζιού. Η ανεπαρκής ποσότητα δεν θα καλύψει την απαιτούμενη επιφάνεια για να είναι αποτελεσματική. Η υπερβολική ποσότητα από την άλλη μειώνει την αποτελεσματικότητα του θερμοαγώγιμου υλικού, καθώς οι δύο μεταλλικές επιφάνειες -του IHS του επεξεργαστή και της βάσης της ψύκτρας- θα βρίσκονται αρκετά μακριά μεταξύ τους ενώ επιπλέον υπάρχει κίνδυνος υπερχείλισης στην μητρική κατά την εγκατάσταση του συστήματος ψύξης, κάτι που ενδεχομένως θα έχει απρόβλεπτες συνέπειες, ειδικά αν το θερμοαγώγιμο υλικό είναι ηλεκτρικά αγώγιμο. [caption id="attachment_83134" align="aligncenter" width="1280"] © Intel®[/caption] Οι πιο έμπειροι χρήστες, θα επιχειρήσουν να απλώσουν την θερμοαγώγιμη πάστα από μόνοι τους (π.χ. με τη χρήση μίας πλαστικής κάρτας, μίας πλαστικής σπάτουλας ή φορώντας ένα γάντι μπορούν εύκολα να απλώσουν μία λεπτή στρώση υλικού σε όλη την επιφάνεια του θερμοδιαχύτη του επεξεργαστή). Λάβετε υπόψη σας, ότι αν δεν γίνει σωστά, η χειροκίνητη εφαρμογή της θερμοαγώγιμης πάστας μπορεί να προκαλέσει τη δημιουργία φυσαλίδων αέρα που μπορούν να επηρεάσουν αρνητική τη θερμική αγωγιμότητα. Αν παρουσιαστεί πρόβλημα κατά τη διαδικασία εγκατάστασης και πρέπει να αφαιρέσετε την ψύκτρα ή το waterblock, θα πρέπει να καθαρίσετε εντελώς τη θερμοαγώγιμη πάστα όπως περιγράφουμε παραπάνω και στη συνέχεια να προχωρήσετε σε μία νέα εφαρμογή.

Μικρά tips 

• Μια σταγόνα θερμοαγώγιμου υλικού αρκεί. Μην το παρακάνετε διότι τα αποτελέσματα είναι δυνατόν να είναι αντίθετα από τα επιθυμητά. Το υλικό απλώς θα πρέπει να καλύψει τις μικρές ανωμαλίες στις μεταλλικές επιφάνειες και τίποτα περισσότερο. Ένα λεπτό φιλμ υλικού αρκεί!
• Προσέξτε με τη χρησιμοποίηση ηλεκτροαγώγιμων υλικών (conductive). Τέτοια υλικά μπορούν να καταστρέψουν τον επεξεργαστή ή τον υπολογιστή σας, αν δεν προσέξετε στην εφαρμογή τους.
• Αν στη ψύκτρα σας διαπιστώσετε ότι έχει ήδη εφαρμοστεί εργοστασιακά thermal tape ή thermal pad μπορείτε να επιλέξετε να την διατηρήσετε. Παρόλα αυτά, τις περισσότερες φορές είναι προτιμότερο να την αφαιρέσετε και να χρησιμοποιήσετε κάποιο thermal compound (θερμοαγώγιμη πάστα). Μην χρησιμοποιήσετε και τα δύο υλικά ταυτόχρονα!
• Για να αφαιρέσετε υπολείμματα παλαιότερου υλικού από μια ψύκτρα ή τον επεξεργαστή σας, χρησιμοποιήστε ένα στεγνό, μαλακό και απορροφητικό πανάκι. Αν χρειαστεί να χρησιμοποιήσετε κάποιο υγρό, στην αγορά υπάρχουν εξειδικευμένα προϊόντα για αυτόν τον σκοπό, αν και αρκεί λίγη ισοπροπυλική αλκοόλη.

Πως εφαρμόζεται;

Συνίσταται να διαβάσετε τις οδηγίες εγκατάστασης από τον κατασκευαστή (π.χ. κάθε σχεδόν κατασκευαστής διαθέτει κάποιον οδηγό εγκατάστασης ή κάποια περιγραφή της διαδικασίας εγκατάστασης στην ιστοσελίδα του). Καλό είναι επίσης να διαβάσετε το εγχειρίδιο εγκατάστασης ή τον γρήγορο οδηγό εκκίνησης του συστήματος ψύξης που θα χρησιμοποιήσετε, ώστε να γνωρίζετε τι να περιμένετε και να προγραμματίσετε εκ των προτέρων. Κατά αυτόν τον τρόπο, η διαδικασία εφαρμογής της θερμοαγώγιμης πάστας και της εγκατάστασης της ψύκτρας ακολούθως το πιθανότερο είναι να μην κρύβει εκπλήξεις. [caption id="attachment_83137" align="aligncenter" width="1280"] © Intel®[/caption] Εφαρμόστε θερμοαγώγιμη πάστα στο κέντρο του θερμοδιαχύτη (IHS) του επεξεργαστή (η ποσότητα αρκεί να έχει το μέγεθος ενός μικρού μπιζελιού). Ορισμένες εταιρείες κατασκευής θερμοαγώγιμων υλικών προτείνουν διαφορετικό τρόπο εφαρμογής ανά μοντέλο επεξεργαστή (π.χ. προτείνουν την εφαρμογή μίας λεπτής γραμμής κατά μήκος του θερμοδιαχύτη, άλλες φορές προτείνουν την εφαρμογή της σε όλη την επιφάνεια του θερμοδιαχύτη κ.ά.). Έχει διαπιστωθεί ότι η εφαρμογή μίας μικρής ποσότητας στο κέντρο του θερμοδιαχύτη επαρκεί ωστόσο αν έχετε αμφιβολίες για τη συγκεκριμένη μέθοδο, μπορείτε είτε να εφαρμόσετε δύο λεπτές γραμμές χιαστί (Χ) είτε να απλώσετε την θερμοαγώγιμη πάστα σε όλη την επιφάνεια του θερμοδιαχύτη ωσότου σχηματιστεί μία λεπτή στρώση ή ένα λεπτό φιλμ. Για το τελευταίο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μία πλαστική σπάτουλα ή μία πλαστική κάρτα. Στην περίπτωση που δεν έχετε τίποτα από τα δύο, αρκεί να χρησιμοποιήσετε ένα πλαστικό σακουλάκι (π.χ. αυτό που υπήρχαν οι βίδες για την προσαρμογή της ψύκτρας) ή λίγη μαγειρική ζελατίνα που θα τυλίξετε στον δείκτη του χεριού σας. [caption id="attachment_83135" align="aligncenter" width="1280"] © Intel®[/caption] Στη συνέχεια μπορείτε να προχωρήσετε στην εγκατάσταση της ψύκτρας ή του waterblock σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή. Ακουμπήστε την ψύκτρα ή το waterblock στον θερμοδιαχύτη του επεξεργαστή, διατηρήστε ελαφρά πίεση και στη συνέχεια προχωρήστε στην ασφάλιση της. Αν υποθέσουμε ότι η προσαρμογή της ψύκτρας απαιτεί βίδες, τότε προχωρήστε στο βίδωμα τους σταδιακά και διαγώνια, σαν να σχηματίζετε «X». Μην σφίξετε πλήρως τη βίδα προτού προχωρήσετε στις πρώτες στροφές του βιδώματος της επόμενης και ούτω κάθεξης. Το βίδωμα κάθε βίδας πρέπει να γίνεται σταδιακά και όπως αναφέραμε χιαστί (Χ) για να εξασφαλιστεί ομοιόμορφη πίεση. Πριν προχωρήσετε την οποιαδήποτε άλλη διαδικασία (π.χ. διαδικασία εγκατάστασης των μνημών, της κάρτας γραφικών ή άλλου υποσυστήματος του υπολογιστή) ελέγξτε ότι η ψύκτρα ή το waterblock είναι σταθερό και βεβαιωθείτε ότι όλα δείχνουν σωστά. Αν έχει υπερχειλίσει η θερμοαγώγιμη πάστα στο τυπωμένο κύκλωμα της συσκευασίας του επεξεργαστή ή στην μητρική θα πρέπει να την καθαρίσετε με προσοχή ή ακόμα και να επαναλάβετε τη διαδικασία. Επιβεβαιώστε στη συνέχεια ότι έχετε συνδέσει τον ανεμιστήρα της ψύκτρας στους κατάλληλους ακροδέκτες στη μητρική ή και την αντλία του συστήματος υδρόψυξης και τους υπόλοιπους ανεμιστήρες.