domingo, 28 de diciembre de 2008

Pasta térmica y transferencia de calor I - ProfessionalSAT

La interfaz térmica entre el procesador y el disipador está ganando importancia conforme la densidad térmica aumenta en los nuevos diseños de AMD e Intel. Cada vez hay más transistores por mm2 y funcionan a mayores frecuencias lo que crea hot spots de difícil tratamiento. Por ello, una correcta elección de la interfaz térmica es crítica para garantizar la estabilidad de nuestro sistema.

AS5_big_blue1[1]

Una de las mejores y más aclamadas pastas térmicas: la excelente Arctic Silver 5.

Hay dos tipos de interfaces térmicas aplicadas a procesadores:

  • Pastas térmicas. De naturaleza líquida y más o menos viscosa las hay con base de silicona o aceites sintéticos y como componente de transferencia térmica óxidos de aluminio, plata metálica micronizada, compuestos cerámicos micronizados ...
  • Thermal pads o materiales de cambio de fase: Son más densos que las pastas térmicas a temperatura ambiente teniendo una apariencia sólida plástica. Con el aumento de temperatura pasa a un estado líquido viscoso que hace que bajo la presión ejercida por el disipador se rellenen uniformemente los vacíos de las irregularidades de las superficies.

TPad

Thermal Pad sobre un refrigerador con núcleo de cobre y láminas de aluminio Intel.

TPad2

Retirando la protección de un thermal pad.

Normalmente un buen thermal pad tiene mejor estabilidad a largo plazo que una pasta térmica debido a su mayor viscosidad y está recomendado sobretodo para CPUs desnudas, es decir, sin heat spreader (Pentium III S370, Athlon y Athlon XP S462, procesadores de portátiles como Intel Banias, Dothan, Yonah, Merom, Penryn o AMD Athlon64 mobile, Turion, TurionX2).

Función de la interfaz térmica:

El propósito de la pasta térmica es llenar y ocupar totalmente los huecos entre el heat spreader del procesador y la base del disipador de CPU que de otro modo estarían llenos de aire (que como todos sabemos es un excelente aislante térmico).

Llenando estos vacíos (zona irregular blanca en la imagen inferior) transmite eficazmente el calor desde el heat spreader a la base del disipador (en este caso ambos de Cobre "chapado" en Zinc).

Image1

La interfaz térmica debe rellenar con precisión los vacíos y crear una conducción térmica eficaz.

Las pastas térmicas se presentan normalmente en jeringuillas, sobres plásticos o frascos para su correcta aplicación, en cambio los thermal pads suelen venir preaplicados sobre la superficie de la base del disipador o protegidos entre dos láminas plásticas.

Opteron_Paste

Fuente: AMD, Thermal Interface Material Comparison: Thermal Pads vs. Thermal Grease

Conductividades térmicas de algunos metales puros:

  • Plata (Ag): 4.29 W/cmK (Metal noble, lentísima oxidación al aire)
  • Cobre (Cu): 4.01 W/cmK (Lenta oxidación al aire)
  • Oro (Au): 3.17 W/cmK (Metal noble, no es oxidado por el aire)
  • Aluminio (Al): 2.37 W/cmK (Lenta oxidación por el aire)
  • Zinc (Zn): 1.16 W/cmK (Lentísima oxidación por el aire)
  • Hierro (Fe): 0.802 W/cmK (Rápida oxidación al aire)

Debido a la relación precio / prestaciones los mejores disipadores del mercado recurren a cuerpos de cobre con heat pipes también de cobre y láminas de disipación en cobre o aluminio. Normalmente el cobre se pasiva con una ligerísima capa de zinc para evitar su oxidación por el oxígeno atmosférico.

Tiempo de cura o rodaje:

Las pastas térmicas y los thermal pads no despliegan todas sus prestaciones nada más ser aplicados, necesitan al menos de 24h para llegar a su conductividad térmica óptima. Arctic Silver recomienda 200h de uso con ciclos de encendido - apagado para asentar los componentes (ciclos térmicos) y lograr el máximo rendimiento.

PIC01577_thumb[1]

En la segunda parte trataré la correcta aplicación de la pasta térmica en función del procesador que tengamos entre manos, me centraré en los siguientes modelos:

  • Procesadores Intel con die desnudo (Pentium III S370 y CPUs de portátiles e Intel Atom)
  • Intel Pentium 4 single core S478 o S775 (Willamette, Northwood y Prescott cores)
  • Intel Pentium D serie 800 dual core S775 (90 nm Smithfield core)
  • Intel Pentium D serie 900 dual core S775 (65 nm Presler core)
  • Intel Core2Duo dual core S775 (núcleos Conroe 65 nm y Penryn 45 nm)
  • Intel Core2Quad quad core serie 6000, 8000 y 9000 S775 (núcleos Conroe 65 nm y Penryn 45 nm)
  • Intel Core i7 quad core (núcleo Nehalem 45 nm)
  • Procesadores AMD con die desnudo (Athlon, AthlonXP y CPUs de portétiles)
  • AMD Athlon64 single core S754 / S939 / AM2 (130 nm y 90 nm)
  • AMD Athlon64 X2 dual core S939 / AM2 (90 nm y 65 nm)
  • AMD Phenom X4 quad core AM2+ (65 nm core Barcelona)
  • AMD Phenom X3 triple core AM2+ (65 nm core Barcelona)
  • AMD Athlon X2 serie 7000 dual core AM2+ (65 nm core Barcelona)
  • AMD Phenom II X4 quad core AM2+ (45 nm core Shanghai)

Debemos tener en cuenta que es necesario saber donde están físicamente los núcleos debajo del heat spreader para posicionar correctamente la pasta térmica en cantidad y orientación, más en la segunda parte ...

4 comentarios:

  1. Espero con ganas la continuación, me interesa el tema y me gustan también las entradas sobre fugas de componente térmico. A ver si le meto mano a un core duo yonah con tus consejos.

    Un saludo!

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  2. En esta semana tendré lista la segunda parte.
    Es un tema al que no se le da su verdadera importancia. Para darse cuenta hay que hacer un seguimiento de los equipos a medio y largo plazo, lo que pocos hacen.
    Así es como se ve la evolución en el tiempo del rendimiento de cada pasat térmica y cada forma de aplicación.
    Un saludo.

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  3. Yo tambien estoy ansioso de la/s siguientes partes, para ver si lo hago bien, y si cometo errores (alguno seguro) poder mejorar.

    ah! Feliz Año !

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  4. Saludos BlogSTD,
    Exacto, en eso consiste el ser un profesional, en aprender cada día ... y nunca pensar que ya se "domina" un tema.

    ¡Feliz 2009!

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