TIM چيست و چگونه بايد از آن استفاده کنيم؟

نحوه کار TIM
 

شايد تاکنون با مباحث و يا مقالات زيادي در رابطه با خميرهاي حرارتي برخورد کرده باشيد، ولي ما در اين مقاله به شما نشان خواهيم داد که اين مولفه به ظاهر بي اهميت مي تواند نقش بسيار مهمي در سلامتي پردازنده شما داشته باشد و در عين حال بسياري از تصوراتي که تاکنون درباره آن داشته ايد، نادرست هستند.
شايد اين گفته تا حدودي براي شما اغراق آميز به نظر برسد، اما در يک سيستم به پيچيدگي يک PC، حتي کوچکترين بخشها نيز مي توانند اهميت حياتي پيدا کنند. بدون TIM) Thermal)Interface Material، کامپيوتر قدرتمند 4 هسته اي شما احتمالا نمي تواند به اندازه کافي براي بارگذاري بازي محبوبتان دوام بياورد. يک پردازنده دسک تاپ مقدار بسيار زيادي حرارت (تا 130 وات) را در يک ناحيه کوچک و بسيار متمرکز توليد مي کند و به همين دليل است که ما از يک خنک کننده براي دفع گرماي داخل کيس استفاده مي کنيم. مشکل در اينجا است که خنک کننده اين حرارت را از طريق اتصال دفع مي نمايد.
ممکن است اين تفکر در ذهن شما ايجاد شود که "خوب، اينکار که بسيار آسان است، سطح صاف پردازنده را به پايه صاف و هموار حرارت گير(HeatSink) مي چسبانيم و همه چيز تمام خواهد شد." با اينحال، حتي با وجود آنکه هر دو سطح مذکور کاملا هموار و صيقلي به نظر مي رسند، يک ميکروسکوپ به آساني مي تواند عرصه هولناکي از برآمدگيها، فرورفتگيها و شيارها را بر روي آنها آشکار کند.
هر جائيکه اين خراشيدگيها ايجاد شده اند، دو سطح نمي توانند بطور کامل با يکديگر تماس برقرار کنند و به همين دليل يک کيسه هوا در بين آنها باقي مي ماند. از آنجائيکه هوا يک رساناي ضعيف حرارتي است، ناحيه تماس موثر بطور جدي کاهش يافته و اين کيسه هاي هوا براي جلوگيري از عملکرد موثر خنک کننده شما کافي خواهند بود. TIM اين فواصل کوچک را پر مي کند تا انتقال حرارتي را بهبود بخشد.

خصوصيات TIM
 

هر ماده چسبناک و يا گريس قديمي نمي تواند کار TIM را انجام دهد. در هنگام توليد TIM، توليدکنندگان بايد عوامل زير را در نظر داشته باشند:
- رسانائي حرارتي، مهمترين خصوصيت هر ماده واسط حرارتي است و نشان مي دهد که کارآئي ماده مورد نظر براي انتقال حرارت تا چه اندازه خواهد بود. اين خصوصيت معمولا بر حسب وات بر متر کلوين (W/mK) اندازه گيري مي شود و مقادير بزرگتر آن بيانگر رسانائي حرارتي بالاتري هستند. هرچه رسانائي حرارتي بالاتر باشد، TIM در کاهش دماي CPU شما از کارآئي بالاتري برخوردار خواهد بود. يک ماده با رسانائي حرارتي ضعيف، کارآئي پائينتري را در انتقال حرارت از سطح فراهم خواهد کرد و به همين دليل شما بايد هزينه بيشتري را براي خنک کننده CPU خود بپردازيد تا به همان سطح از عملکرد برسيد که در صورت استفاده از يک ماده واسط حرارتي با رسانائي حرارتي بهتر در اختيار داشتيد.
- رسانائي الکتريکي، توانائي ماده مورد نظر براي انتقال الکتريسيته را نشان مي دهد. از آنجائيکه TIM در محدوده اي کار مي کند که مي تواند به مدارهاي ارزشمند بسيار نزديک باشد، رسانائي الکتريکي بالا چندان مطلوب نخواهد بود. اکثر مواد واسط حرارتي امروزه بر پايه سراميک ساخته مي شوند و فاقد خصوصيت رسانائي الکتريکي هستند. با اينحال، بعضي از TIMهاي مبتني بر مواد فلزي هنوز داراي خصوصيت رسانائي الکتريکي مي باشند و به دلايل آشکاري چندان توصيه نمي شوند.
- خصوصيات انتشاري يک ماده، توانائي آن (با در نظر گرفتن حرارت و فشار) براي پخش شدن و پر نمودن تمام کيسه هاي کوچک هواي بين پردازنده و حرارت گير را بيان مي کند. توليد کننده در عين حال بايد مشخص نمايد که ماده مورد نظر تا چه اندازه مي تواند با ضخامت پائين تري اعمال شود. بطور کلي، هرچه لايه TIM نازک تر باشد، انتقال حرارتي موثرتر خواهد بود.
- اعتمادپذيري و پايداري طولاني مدت يک ماده، توانائي آن براي تامين رسانائي حرارتي کافي در طول يک دوره زماني طولاني است. آيا TIM تحت حرارت جابجا شده و نواحي حياتي را بدون پوشش خواهد گذاشت؟ آيا بيش از حد روان گرديده و بر اثر گرما و فشار از محل خود خارج مي شود؟ آيا در طول زمان سخت گرديده و خرد مي شود؟ اينها مواردي هستند که اگر از يک ماده TIM با کيفيت پائين استفاده کرده باشيد مي توانند اتفاق بيفتند و در نتيجه باعث افزايش بيش از حد دما ميگردند. از سوي ديگر، شما در مورد موادي با کيفيت بالاتر هيچ نگراني نخواهيد داشت.

پدها در مقابل خميرها
 

TIMها به دو نوع اصلي تقسيم مي شوند. اگر تاکنون يک پردازنده بسته بندي شده را خريداري کرده باشيد، احتمالا با پدهاي حرارتي آشنا شده ايد. اين پدها، قطعات مربع شکل کوچکي از ماده Phase-Change (ماده اي که وضعيت آن بر حسب دما از حالت جامد به مايع تغيير مي کند) هستند. در دماي اتاق، اين پدها جامد و يا نيمه جامد هستند اما به محض آنکه دماي پردازنده افزايش پيدا مي کند، ماده تشکيل دهنده پد نرم مي شود تا يک اينترفيس نازک رساناي حرارتي را فراهم نمايد.
پدهاي حرارتي غالبا مورد تمسخر قرار مي گيرند، اما مزاياي خاص خود را دارند. اين پدها از کثيف کاري در محدود پردازنده جلوگيري نموده، از قبل اعمال گرديده و بطور يکنواختي در سراسر سطح حرارت گير توزيع شده اند. به همين دليل است که توليدکنندگان پردازنده ها ترجيح مي دهند براي حرارت گيرهاي تک فروشي خود از آنها استفاده نمايند. در عين حال، احتمال جابجائي اين پدها در بلندمدت بسيار کمتر از خميرهاي ارزانقيمت خواهد بود.
با اينحال، رسانائي حرارتي يک پد حرارتي معمولا به اندازه يک TIM مناسب نيست و اين پدها تنها فشار ثابت گيره هاي نگهدارنده حرارت گير کار مي کنند. اگر گيره هاي مذکور فشار کافي را فراهم نکنند، اين پدها بي مصرف خواهند بود. بعلاوه، اين پدها مي توانند در بلندمدت با مشکلاتي نيز مواجه شوند. از آنجائيکه پايه حرارت گير و CPU بر اثر حرارت منبسط مي شوند، پدها هميشه وضعيت خود را حفظ نکرده و در نتيجه کيسه هاي هوائي ايجاد مي شوند.
با اينحال، در پردازنده هاي جديدتري که TDP آنها افزايش يافته است، پدهاي حرارتي به تدريج به نفع نوعي از روغنهاي حرارتي که بر روي حرارت گير اعمال مي شوند، کنار رفته اند. اين تغيير بخاطر آن است که پدهاي حرارتي توليد شده بوند تا در دماي معيني به مايع تبديل شوند، اما اگر دما از ميزان مورد نظر بالاتر برود، مايع کيفيت خود را از دست داده و از سطوح جدا مي شود.
از سوي ديگر، يک خمير که در داخل يک کيسه کوچک، لوله، بطري و يا سرنگ کوچک ارائه مي شود، در نمونه هاي سطح پائين تر حاوي يک روغن با پايه سيليکون مي باشد که فواصل مابين سطح را پر مي کند و يا در نمونه هاي سطح بالاتر از يک روغن يا ژل حاوي ذرات معلق از يک يا چند ماده با رسانائي حرارتي بالا تشکيل شده است. اين روغن يا ژل بر روي هر دو سطح اعمال شده و سپس در طول عملکرد خود، بطور آزادانه جريان پيدا مي کند تا فواصل موجود را از بين ببرد (با اينحال در مورد ژلها معمولا يک دوره زماني "عمل آوري" وجود دارد که در آن ماده واسط حرارتي در محل خود تثبيت شده و فواصل را پر مي کند). در طول زمان، اين ماده سخت تر شده و در يک وضعيت پايدارتر و " لاستيکي" قرار مي گيرد.
ژلها و روغنها نيز اشکالات خاص خود را دارند. پيش از هر چيز، TIM مي تواند تحت فشار و گرما از ناحيه اتصال به بيرون راه پيدا کند. از سوي ديگر، اجزاء مايع آنها مي توانند در طول زمان تبخير گردند که در نتيجه باعث سخت شدن و سپس شکنندگي و خرد شدن آنها خواهد گرديد. ژلها و روغنها در عين حال در برابر استفاده نادرست آسيب پذيرتر هستند.
اگر مقدار بيش از حدي از اين مواد را بر روي سطوح اعمال نموده و يا آنها را بطور يکنواخت پخش نکنيد، يک اينترفيس حرارتي با کارآئي بسيار کمتر را بدست خواهيد آورد و يا باعث مي شويد که مواد اضافي از محل خود به بيرون نشت کرده و مادربرد شما را کثيف نمايند. بطور کلي، هرچه TIM شما چسبناک تر باشد، مقاومت بيشتري در برابر تاثيرات منفي خواهد داشت. اين موضوع يکي از دلايلي است که باعث شدند روغنهاي سيليکوني اوليه بطور دائمي با ژلها و يا روغنهاي polysynthetic جايگزين گردند.

ذرات TIM
 

مشتاقان سخت افزاري عموما ژلها و خميرها را در سطح بالاتري نسبت به پدهاي حرارتي دسته بندي مي کنند، اما حتي در اينجا نيز بايد درباره يک گزينه تصميم بگيريد: ترجيح مي دهيد روغن حرارتي شما حاوي چه ماده معلقي باشد.
TIM هاي متوسط از ذرات مواد سراميکي نظير اکسيد آلومينيوم، نيتريد بور و اکسيد روي در ابعاد ميکروني استفاده مي کنند که تمام آنها رسانائي حرارتي مناسب، رسانائي الکتريکي پائين و هزينه توجيه پذيري را فراهم مي نمايند.از سوي ديگر، TIM هاي گرانتر از ذرات فلزي با رسانائي حرارتي بالاتر نظير نقره يا مس استفاده مي کنند.
با اينحال، بايد موضوع رسانائي الکتريکي بالاتر گروه دوم را در نظر داشته باشيد زيرا در صورت نشت از ناحيه تماس سطوح مورد نظر مي توانند خطر بروز مشکلاتي را به همراه داشته باشند. از يک ديدگاه، کارآئي بهينه اين مواد مي تواند ارزش اندکي ريسک را داشته باشد، اما از سوي ديگر ممکن است ما در حال صحبت راجع به يک تفاوت بسيار کوچک در بازدهي اين مواد باشيم.

انواع TIM
 

- روغن حرارتي: همان TIM ابتدائي و لجني استاندارد که رسانائي حرارتي آن معمولا کمتر از 1W/mK است.
- پد حرارتي: رسانائي حرارتي اين پدها مي تواند تا 1/5W/mK باشد. با اينحال، آنها هميشه بصورت پد باقي نمانده اند و در حال حاضر با نوعي از روغنهاي حرارتي که بر روي بخش زيرين حرارت گير"Screen-Printed" مي شوند، جايگزين گرديده اند.
- ترکيب حرارتي سراميکي (نظير Arctic Alumina): اين ماده حرارتي سراميکي پايدار بر پايه اکسيد آلومينيوم و يا نيتريد بور(Boron Nitride) است. رسانائي حرارتي اين ماده در حدود 4W/mK مي باشد.
- ترکيب حرارتي مسي (نظيرFrozenCPU Copper): اين ماده حاوي ذرات مس در داخل يک ژل حرارتي است. مس پس از نقره داراي بهترين رسانائي حرارتي مي باشد و اين نوع TIM داراي رسانائي حرارتي معادل 4.5W/mK است.
- ترکيب حرارتي نقره اي (نظير Arctic Silver 5): اين ماده حاوي ذرات نقره به همراه ذرات اکسيد روي، نيتريد بور و اکسيد آلومينيوم در يک ژل روغن polysynthetic است. نقره داراي بالاترين رسانائي حرارتي در ميان فلزات مي باشد و به همين دليل، رسانائي حرارتي اين نوع ترکيبات به 8W/mK مي رسد.
- فلز مايع (نظير CoolLaboratory Liquid Metal): اين ماده يک آلياژ فلزي است که در دماي اتاق بصورت مايع باقي مي ماند، در نتيجه به آساني مي توانيد آن را بر روي سطوح اعمال نمائيد زيرا همانند يک خمير روان است. اين ماده داراي رسانائي حرارتي بالائي است اما در عين حال رسانائي الکتريکي بالائي نيز دارد.

TIM هاي پيشرفته
 

دو نوع ديگر از TIM ها نيز وجود دارد که يکي از آنها در حال حاضر قابل دسترسي مي باشند و ديگري در راه است: نوع اول، فلز Phase-Change است: يک خمير يا پد فلزي جامد که در دماي عملياتي به مايع تبديل مي شود. از جنبه هاي مختلف، اين TIM مزاياي روغنها، ژلها و يا پدهاي حرارتي را با يکديگر ترکيب مي کند. در واقع اين مواد به آساني اعمال مي شوند و داراي قابليت انتشار و رسانائي حرارتي بالائي هستند اما استعداد پائين تري براي نشت و يا سخت شدن دارند.
در آينده، فناوري نانو احتمالا مزاياي زيادي را در اين حوزه به همراه خواهد داشت. محققين دانشگاه Purdue هند در حال حاضر يک TIM مبتني بر نانو لوله هاي کربني را تهيه کرده اند که يک شبکه شبيه به Velcro از فيبرها را در بين دو سطح تشکيل مي دهد. اين فيبرها از پتانسيل انتقال حرارتي بسيار بالاتر و موثرتري نسبت به مواد موجود برخوردارند.

نحوه اعمال صحيح TIM
 

پيش از اعمال هر ماده واسط حرارتي جديد، بايد سطح پردازنده و پايه حرارت گير را با استفاده از مقداري پاک کننده Akasa TIM يا Arctic Silver ArctiClean و يک پارچه بدون پرز تميز نمائيد.
حالا نبايد هيچ لکه اي بر روي پردازنده و يا پايه حرارت گير ديده شده و يا هيچ باقيمانده يا پرزي بر روي آنها وجود داشته باشد. استفاده از ماده پاک کننده TIM باقيمانده هاي TIM قبلي را از بين برده و تضمين مي کند که لايه جديد TIM با بالاترين کارآئي ممکن عمل خواهد کرد.
حالا که پردازنده شما درخشان و تميز به نظر مي رسد، بايد به نکته بسيار مهم توجه داشته باشيد. شما تنها به مقدار بسيار اندکي از TIM نياز داريد. در واقع، يک قطره در اندازه يک دانه برنج معمولا براي اعمال TIMهاي معمولي بر روي CPU هاي مدرني با پخش کننده هاي حرارتي مجتمع(Integrated Heatspreader) نظير آنچه که در شکل [8] مشاهده مي کنيد، کافي خواهد بود.
با اينحال، اگر در حال استفاده از يک ماده واسط حرارتي از نوع فلز مايع نظيرCoollaboratory Liquid Pro هستيد، حتي به مقدار کمتري از آن نياز خواهيد داشت. توجه داشته باشيد که اعمال و يا پاکسازي اين نوع TIM تا حدودي به مهارت نياز دارد (و آنها در عين حال رساناي الکتريکي هستند)، بنابراين مطمئن شويد که به هيچ وجه آنها را در داخل کيس خود نريخته ايد.Coollaboratory Liquid Pro در عين حال داراي خصوصيت خورندگي آلومينيوم مي باشد، بنابراين بهتر است آن را با خنک کننده هاي مسي مورد استفاده قرار دهيد. توصيه مي کنيم تمام اطلاعات موجود بر روي سايت وب شرکت توليدکننده اين نوع TIM ها را مطالعه نمائيد. اگر در مورد استفاده از آنها ترديد داريد، بهتر است از يک TIM نوع خميري نظير Arctic Silver 5 استفاده نمائيد.
براي پردازنده هاي قديمي تر (و يا موبايل) نظير Athlon XP يا Pentium III که هسته آنها در زير يک پخش کننده حرارتي مجتمع قرار نگرفته است ( شکل[10])، شما صرفا به کوچکترين مقدار ممکن از TIM خود که توانائي اداره آن را داشته باشيد، نياز خواهيد داشت. اگر اين ماده را بيش از حد اعمال کرده ايد، مقادير اضافي را با يک پارچه تميز برداشته و مجددا امتحان نمائيد.
پس از آنکه مقدار کمي از TIM را بر روي CPU قرار داديد، اکنون نوبت پخش کردن صحيح آن است. يک ورقه پلاستيکي نازک (يک کيسه پلاستيکي ساندويچ در اين مورد کاملا مناسب است) را برداشته و مرکز آن را بر روي انگشت اشاره خود قرار دهيد. حالا اين ورقه پلاستيکي را بکشيد تا انتهاي انگشت شما باعث کشيدگي پلاستيک گردد. وقتي تمام چين خوردگي هاي پلاستيک برطرف شد، آن را با انگشت مياني و شست خود محکم نگهداريد.
شما سپس بايد TIM را با استفاده از کمي فشار بر روي سطح پردازنده خود بماليد تا ناهمواريهاي سطح آن را پر کند. مطمئن شويد که ماده بطور يکنواختي پخش شده است. شما بايد پردازنده خود را در طول انجام اينکار بر روي يک سطح تخت و سخت قرار دهيد، اما مراقبت باشيد که فشار بيش از حدي را اعمال نکنيد، زيرا نمي خواهيد باعث خم شدن پايه هاي پردازنده خود شويد.
بر اساس تجربه ما، بهترين شيوه اين است که TIM را ابتدا بصورت يک خط باريک در وسط سطح پردازنده اعمال کرده و سپس آن را به دو طرفين گسترش دهيد تا تمام سطح Heatspreder را بپوشاند. به هر حال شما مي توانيد از شيوه هاي متفاوتي که براي خودتان راحت تر هستند استفاده نمائيد.
در مورد انواع TIMهاي فلز مايع نظير Coollaboratory Liquid Pro، متوجه خواهيد شد که وقتي مشغول پخش کردن مايع هستيد يک سطح آئينه مانند بر روي سطح پردازنده ايجاد مي گردد. شما مي خواهيد تمام سطح پردازنده چنين ظاهري داشته باشد، زيرا به اين ترتيب مطمئن خواهيد شد که مايع بطور کامل بر روي آن اعمال شده است. براي اضافه کردن TIM بيشتر وسوسه نشويد زيرا همان مقداري که بر روي پردازنده خود اعمال کرده ايد نهايتا تمام سطح Heatspreder را خواهد پوشاند. يک حرکت دوراني ثابت مي تواند TIM را بطور يکساني توزيع کند. شما بايد هر نوع متن چاپ شده بر روي Heatspreder را با استفاده از TIM مخفي کرده و به يک جلاي يکنواخت نقره اي بر روي آن برسيد که داراي رنگ يکساني است. براي مثال، Arctic Silver 5 رنگ Heatspreder را به خاکستري تيره تغيير مي دهد. اگر سطح شما يکنواخت باشد، يک انعکاس محدود از اشياء ديگر را بر روي آن مشاهده خواهيد کرد.
پس از آنکه Coollaboratory Liquid Pro را با حوصله کافي پخش کرديد، ظاهر وحشتناک آن يک جلوه درخشان نقره اي را به Heatspreder پردازنده شما خواهد داد. حالا پردازنده شما براي استفاده آماده است. با اينحال، اکثر TIMها پيش از آنکه بتوانند حداکثر عملکرد خود را به نمايش بگذارند به مدتي زمان براي "عمل آوري" نياز دارند ( براي Arctic Silver 5 اين مدت به 200 ساعت مي رسد). حتي با در نظر گرفتن اين موضوع نيز اگر قبلا نصف يک لوله TIM را بر روي پردازنده خود اعمال کرده بوديد، حالا بلافاصله شاهد يک افت چشمگير در دماي پردازنده خود خواهيد بود.
منبع:بزرگراه رايانه، شماره 121.