Nowoczesne materiały termoprzewodzące w elektronice

Rys. 1. Różnice pomiędzy: a) klasycznym i b) nowym podejściem do oprowadzenia ciepła

Proces odprowadzania ciepła można podzielić na trzy główne fazy. Pierwsza to wymiana ciepła w obrębie obudowy elementu półprzewodnikowego, druga obejmuje proces wymiany energii cieplnej od obudowy elementu półprzewodnikowego do elementu rozpraszającego ciepło (radiator), a ostatnia wymianę ciepła od elementu rozpraszającego ciepło (radiatora) do otaczającego środowiska (ostateczny odbiornik). Odprowadzenie ciepła w fazach 1 do 2 odbywa się głównie na drodze przewodnictwa cieplnego, natomiast w ostatniej trzeciej fazie na drodze konwekcji i promieniowania.

Pierwsza faza jest na ogół poza kontrolą projektanta odpowiedzialnego za procesy termiczne, ponieważ typ obudowy podzespołu określa wewnętrzny proces wymiany ciepła. W drugiej i trzeciej fazie celem projektanta jest zaprojektowanie skutecznego połączenia termicznego pomiędzy obudową elementu półprzewodnikowego a otaczającym środowiskiem. Osiągnięcie tego celu wymaga poznania fundamentalnych praw opisujących przepływ ciepła, jak również wiedzy o dostępnych materiałach złączowych i ich właściwościach fizycznych mających wpływ na proces wymiany ciepła. Poniżej przedstawione zostaną podstawowe właściwości materiałów termoprzewodzących.

Właściwości termiczne

Podstawowymi właściwościami termicznymi są impedancja termiczna wyrażona w °C·cm²/W i przewodność termiczna (cieplna) wyrażona w W/m·K. Impedancja termiczna jest zmierzoną sumą wszystkich rezystancji termicznych na drodze przepływu ciepła od gorącej powierzchni poprzez materiał złącza do zimnej powierzchni. Na impedancję termiczną ma wpływ wiele czynników takich jak np. plastyczność czy sprężystość materiałów.

Przewodność termiczna jest natomiast cechą materiałową, analogicznie jak w elektrotechnice rezystywność miedzi. Innymi słowy materiał o bardzo dobrej przewodności termicznej może w praktyce nie zapewnić najniższej impedancji termicznej. Analogicznie jak w elektrotechnice - instalacja elektryczna wykonana z miedzi o małej rezystywności jest na tyle skuteczna w praktycznym zastosowaniu, o ile rezystancja złączy i połączeń jest również niska na całej drodze przepływu prądu.

Właściwości elektryczne

Najważniejsze parametry elektryczne materiałów termoprzewodzących to napięcie przebicia, określające jaką różnicę napięć jest w stanie wytrzymać materiał w ściśle określonych warunkach pomiarowych. Parametr ten jest najczęściej mierzony według metody ASTM D149. Drugi parametr to rezystancja skrośna, która jest pomiarem rezystancji elektrycznej jednostki objętości materiału. Parametr ten jest najczęściej mierzony według metody ASTM D257.

Właściwości mechaniczne

Rys. 2. Materiał Therm-A-Gap odprowadzający ciepło z układu scalonego bezpośrednio na obudowę pełniącą rolę radiatora

Właściwości mechaniczne materiałów termoprzewodzących mają istotny wpływ na parametry termiczne. Łatwość dopasowania się materiału termoprzewodzącego między dwie powierzchnie oraz stabilność takiego dopasowania w czasie okazuje się kluczowe z punktu widzenia skutecznego odprowadzenia ciepła. Materiały termoprzewodzące do wypełnienia szczelin powietrznych o wielkościach kilku milimetrów najczęściej mają formę elastycznych arkuszy lub ciastowatej substancji wyciskanej z tuby. Jest to zazwyczaj wystarczające, aby elementy elektroniki łatwo wtopiły się w materiał i skutecznie odprowadziły ciepło.

Firma Astat proponuje najbardziej zaawansowane w materiały termoprzewodzące firmy Parker-Chomerics, których odpowiednie zastosowanie gwarantuje znaczne obniżenie temperatury pracy elementów. Termoprzewodzące wypełniacze szczelin są rodziną miękkich elastomerów silikonowych domieszkowanych specjalnym wypełniaczem zapewniającym funkcje termoprzewodzące. W klasycznym rozwiązaniu na gorący element półprzewodnikowy montowany jest radiator. Radiator wypromieniowuje ciepło do wnętrza obudowy, zatem konieczne jest wykonanie odpowiednich otworów wentylacyjnych w obudowie, często z wentylatorem. Droga, na której ciepło jest odprowadzane na zewnątrz jest zatem stosunkowo długa i skomplikowana.

Rys. 3. Przykładowe zastosowanie materiałów Therm-A-Gap

Dzięki innowacyjnym właściwościom termoprzewodzących wypełniaczy szczelin można znacznie skrócić i usprawnić drogę, na której ciepło jest odprowadzane na zewnątrz. Wystarczy na gorący element nałożyć odpowiedni materiał, tak aby wypełnił całkowicie szczelinę powietrzną i stykał się bezpośrednio z obudową. W ten sposób odprowadzamy ciepło bezpośrednio na całą powierzchnię obudowy. Przy okazji możemy uzyskać większą miniaturyzację urządzenia, uprościć mechanikę (np. brak radiatora i otworów wentylacyjnych), co daje wymierne korzyści ekonomiczne. Rysunek 1 przedstawia różnice między klasycznym, a innowacyjnym podejściem do odprowadzenia ciepła.

Przykładem może być tutaj rodzina materiałów Therm-A-Gap, służąca do wypełniania szczelin powietrznych pomiędzy gorącym elementem a radiatorem lub metalową obudową. Ich plastyczna natura pozwala przykryć bardzo nierówne powierzchnie. Interesujące właściwości ma tutaj żel termoprzewodzący, który z łatwością dopasowuje swój kształt do każdej szczeliny. Mieszanka jest już w pełni usieciowana, jednoskładnikowa przez co produkt jest gotowy do bezpośredniego użycia bez potrzeby mieszania składników. Ten ultralekki materiał znacznie obniża nacisk mechaniczny na delikatnych elementach układu nawet w porównaniu z najlżejszymi arkuszami termoprzewodzącymi.

Dariusz Bąk
Astat sp. z o.o.
www.astat.com.pl