Pasywne chłodzenie układów elektronicznych

Systemy te można podzielić na dwie kategorie: z aktywnymi i pasywnymi technikami chłodzenia. Układ pasywny może być prosty, tani i niezawodny (brak elementów ruchomych) i stosunkowo prosty do wdrożenia. Trzeba jednak pamiętać, aby zapewnić odpowiednie otoczenie do stabilnego, niezakłóconego transportu ciepła. Otwory wentylacyjne oraz radiatory powinny pozostać niezakryte i niezanieczyszczone, a stan wentylatora powinien być monitorowany.

Pasywne chłodzenie następuje przez konwekcję, przewodzenie ciepła i emisję promieniowania podczerwonego. W przypadku większości systemów elektronicznych promieniowanie odprowadza niewielką część generowanego ciepła. Większość energii cieplnej usuwana jest przez przewodzenie, gdzie ciepło przepływa przez stały materiał o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak miedź lub aluminium. W przypadku konwekcji ciepło jest odprowadzane przez powietrze (w większości przypadków) lub płyny (woda, freon). Ponieważ ciepłe powietrze przemieszcza się do góry, metoda ta zwykle wymaga zapewnienia odpowietrzania w górnej lub bocznej części obudowy.

Punktowo czy systemowo?

Przed wyborem odpowiedniego rozwiązania trzeba określić, czy źródłem ciepła jest pojedynczy komponent, czy cały system. W przypadku źródeł punktowych ciepło musi być usunięte tylko z obszaru lokalnego i rozłożone na większej powierzchni. W przypadku nagrzewania się całego systemu ciepło musi być odprowadzone poza system.

Większość aplikacji wykorzystuje połączenie przewodzenia i chłodzenia konwekcyjnego. Przewodzenie służy do odprowadzenia ciepła z miejscowego źródła (komponentu), podczas gdy konwekcja jest używana do rozpraszania ciepła z radiatorów. W większości przypadków do pozbywania się nadmiaru ciepła wykorzystywane są radiatory wykonane z dobrego przewodnika termicznego, tj. miedzi i aluminium. Dużą zaletą aluminium jest to, że może być łatwo wytłaczane, dzięki czemu możliwe jest wykonie złożonych przekrojów poprzecznych. Aluminium jest również znacznie lżejsze niż miedź, ograniczając przez to mechaniczny nacisk na delikatne elementy elektroniczne.

Aby zapewnić najlepszy kontakt termiczny z obiektem wymagającym chłodzenia, powierzchnia styku radiatora musi być płaska i gładka. W celu zminimalizowania problemu niedoskonałości powierzchni stosuje się przekładki lub pasty termoprzewodzące poprawiające kontakt termiczny. Firma BL elektronik oferuje szeroki asortyment takich produktów. Są to przede wszystkim folie silikonowe, gap fillery silikonowe lub bezsilikonowe, wzmocnione, jeśli to konieczne, włóknem szklanym. W przypadku możliwości zautomatyzowania procesu montażu można stosować dozowane gap fillery lub materiały wielofazowe w postaci pasty nakładanej na łączone powierzchnie.

GAP fillery

Jednymi z popularniejszych materiałów, ze względu na liczne zalety, są materiały typu gap filler (wypełniacze szczelin). Pozwalają wypełnić przestrzenie powietrzne wynikające z różnic wysokości pomiędzy komponentami oraz nierówności powierzchni, a także zmniejszyć rezystancję termiczną między elementami elektronicznymi a radiatorem czy obudową. Stosowane są także po to, aby poprawić efektywność chłodzenia, zwiększyć niezawodność pracy urządzenia oraz polepszyć odporność na drgania i wstrząsy.

Gap fillery to najczęściej elastomery silikonowe, z wypełniaczami ceramicznymi na bazie tlenków aluminium i cynku lub azotku boru. Produkuje się również wersje o bardzo małej zawartości lotnych siloksanów. W niektórych zastosowaniach, gdzie zabronione jest wykorzystywanie silikonów, stosuje się materiały na bazie akrylu, elastomerów termoplastycznych, np. TPE.

Najpopularniejsze są gap fillery w formie podkładek, gdyż bardzo dobrze dopasowują się do nierównych i szorstkich powierzchni, do prawidłowego działania wymagają niewielkiej siły docisku przy montażu. Gwarantują ponadto powtarzalność oraz łatwy i szybki montaż, łatwy demontaż i serwisowanie. Nie pozostawiają resztek materiału i są odpowiednie dla małej i średniej produkcji bez inwestycji w narzędzia oraz mogą być długo przechowywane.

 

Rys. 1. Przykład użycia gap fillera w formie podkładki

 

Rys. 2. Podkładki wycięte w formie "kiss cut"

W ofercie firmy BL elektronik dostępne są produkty HALA Contec serii TGF. W zależności od wymagań są to materiały o twardości Shore 00 od 5 do 70, przewodnictwie cieplnym do 15 W/mK (w przypadku produktów z zawartością grafitu, aż do 50 W/mK) i grubości w zakresie od 0,5 do 10 mm. Zapewniają one izolację elektryczną wytrzymującą nawet do 15 kV/mm. Można je stosować w bardzo szerokim zakresie temperatur od –60 do +200ºC.

Gap fillery sprzedawane są zazwyczaj w formie arkuszy o wymiarach od 200× 400 mm aż do 480×460 mm lub podkładek o dowolnym kształcie, wycięte w wersji "kiss cut" lub "die cut". Przy wycinanych elementach kluczowa jest minimalizacja odpadów, aby obniżyć koszty materiałów. Wybrane materiały mogą być wzmocnione włóknem szklanym lub jednostronnie pokryte klejem.

Gap fillery dozowane

Poza opisanymi powyżej podkładkami coraz większą popularność zyskują dwuskładnikowe dozowane materiały termoprzewodzące. Ich podstawowe zalety to doskonałe wypełnienie przestrzeni, minimalizacja rezystancji termicznej przy braku docisku, utwardzanie w miejscu nałożenia oraz mała zawartość substancji lotnych do 10 ppm. Liczy się też brak uszkodzeń powierzchni malowanych i farby (Paint-Wetting Impairment Substances – PWIS), elastyczność, dzięki czemu nie wywołują naprężeń w elementach elektronicznych i tłumienie wstrząsów i wibracji.

Cechą tego typu materiałów jest ponadto duża tolerancja na niedokładność wykonania łączonych elementów mechanicznych, wypełnienie bez konieczności docisku minimalizuje grubość styku, co w konsekwencji zmniejsza ilość użytego materiału i obniża koszty

Szczególną cechą dozowanych gap fillerów jest minimalna rezystancja termiczna styku < 0,1ºC–inch²/W, co pozwala na wykorzystanie materiałów o nieco gorszym przewodnictwie cieplnym 2≈4,5 W/mK. Nie wymagają one docisku, tak więc zapewniają stabilną i łatwą do określenia rezystancję termiczną.

Należy zaznaczyć, że dwuskładnikowe dozowane materiały termoprzewodzące są odpowiednie dla średniej i masowej produkcji. Standardowo nie gwarantują one izolacji elektrycznej, a więc wymagana dodatkowa warstwa dielektryczna (kulki szkła, folia izolująca). Ich trwałość jest ograniczona i nie należy ich przechowywać dłużej niż 6 miesięcy.

W zależności od wielkości produkcji są one dostarczane w różnych opakowaniach takich jak: podwójne kartusze 50 ml (2×25 ml), zestawy dwóch wkładów SEMCO (2×100 lub 2×600 ml), zestaw 2×25 kg lub 2×35 kg Hobbock.

 

Rys. 3. Aplikacja materiałów dozowanych

Bl elektronik
www.blelektronik.com.pl
tel. 12 35 76 378, 696 483 020