Optymalne zarządzanie temperaturą za pomocą materiałów termoprzewodzących
| TechnikaSkuteczne odprowadzanie ciepła z aplikacji elektronicznych jest ważne dla zapewnienia wydajności i niezawodności urządzeń elektronicznych. Co do zasady jest to działanie proste i polega na odbieraniu ciepła od źródła i rozprowadzaniu go na większym obszarze w celu dalszego skutecznego rozpraszania i tym samym chłodzenia. W praktyce, a więc w małych, szczelnych i lekkich obudowach zapewnienie skutecznego chłodzenia może być trudne.
Powierzchnie elementów wytwarzających ciepło zazwyczaj nie są wystarczająco gładkie, aby zapewnić małą rezystancję termiczną połączenia niezbędną do zapewnienia dobrego transportu ciepła. Wiele z elementów elektronicznych nie jest także płaskich, co zwiększa problemy związane z chłodzeniem. Gdy dodatkowo źródła ciepła są zlokalizowane głęboko wewnątrz systemu, panowanie nad temperaturą maksymalną dodatkowo się komplikuje.
Do poprawy przewodności cieplnej mogą być stosowane pasty termoprzewodzące, ale uzyskanie wymaganego pokrycia w celu zapewnienia dobrego transferu ciepła, nie za małego ani nie za dużego, może być trudne. Zbyt gruba warstwa staje się źródłem zanieczyszczeń i może spowodować zwarcia lub przebicia. Ponadto pasty i smary termiczne nie mogą rozprowadzać ciepła na boki od źródła.
Zamiast tego projektanci mogą skorzystać z różnych materiałów termoprzewodzących (TIM, thermal interface materials) w formie arkuszy, w tym wypełniaczy szczelin (gap fillers) i rozpraszaczy ciepła (heat spreaders), aby zapewnić niezmiennie małą rezystancję termiczną niezbędną do efektywnego przenoszenia ciepła, eliminując jednocześnie wszelkie problemy związane z zanieczyszczeniami i aplikacją past. Materiały TIM pozwalają transportować ciepło w pionie lub rozprowadzać je poprzecznie. Są dostępne w różnych grubościach, aby spełnić wymagania konkretnych zastosowań, są stabilne mechanicznie w podwyższonych temperaturach roboczych, co zapewnia niezawodność, zapewniają wysoką izolację elektryczną i są łatwe w użyciu.
W tym artykule omówiono problemy związane z odprowadzaniem ciepła i zarządzaniem temperaturą oraz przedstawiono ogólne wytyczne dotyczące wyboru materiałów typu TIM. Następnie przedstawiono kilka produktów tego typu firmy Würth Elektronik i przeanalizowano ich zastosowanie.
Czym są TIM?
Materiały TIM są umieszczane między źródłem ciepła a elementem chłodzącym, aby poprawić stopień sprzężenia termicznego i transport ciepła. Przy ich użyciu efektywność sprzężenia termicznego zwiększają dwa czynniki. Pierwszym jest zdolność materiałów TIM do dostosowywania się do mikroskopijnych nierówności powierzchni i eliminacja wszystkich zagłębień izolujących powietrze, które zmniejszają przewodność cieplną połączenia (rys. 1). Po drugie, TIM-y mają dużą przewodność cieplną wymaganą do skutecznego transportu ciepła ze źródła do elementu chłodzącego. Przewodność cieplną "K" określa się ilościowo jako waty na metr na Kelvin (W/mK). Parametr ten jest mierzony zgodnie z wytycznymi ASTM D5470 "Standardowa metoda testowa transportu ciepła w materiałach elektroizolacyjnych przewodzących ciepło".
Oprócz wymaganej przewodności cieplnej przy wyborze takiego materiału należy wziąć pod uwagę kilka kwestii:
- ważny jest zakres temperatur roboczych, ponieważ TIM-y są specyfikowane do pracy przy różnych wartościach,
- odległość między współpracującymi powierzchniami i to, czy wymagane jest ściśnięcie, aby zapewnić optymalny transfer ciepła,
- wytrzymałość materiału na ściskanie,
- niektóre arkusze materiałów są dostępne z klejem nałożonym na ich powierzchnię, który ułatwia mocowanie,
- stopień wytrzymałości elektrycznej, ponieważ niektóre materiały mogą być użyte także do zapewnienia izolacji,
- TIM-y są dostępne jako wersje katalogowe oraz w niestandardowych kształtach, które można zoptymalizować pod kątem określonych wymagań aplikacji.
Gap fillery
Silikonowe wypełniacze szczelin WETGF to materiały ogólnego przeznaczenia zapewniające izolację elektryczną, przeznaczone do stosowania w aplikacjach, gdzie stopień kompresji jest w zakresie od 10% do 30%. Przekroczenie tego zakresu może spowodować wypchnięcie materiału silikonowego, pogorszenie transportu ciepła i prawdopodobnie zanieczyszczenie płytki drukowanej. Wypełniacze są przeznaczone do stosowania między dwiema mechanicznie nieruchomymi powierzchniami i są dostępne w wersjach o grubości od 0,5 do 18 mm o przewodności cieplnej od 1 do 3 W/mK. Grubości od 0,5 do 3 mm zapewniają większy stopień przewodności cieplnej (rys. 2).
Na przykład, arkusz o symbolu 40001020 ma wymiary 400×200 mm przy grubości 2 mm i współczynniku przewodności cieplnej K= 1 W/mK. Jego wytrzymałość dielektryczna (EBR, electrical break down rating) to aż 8 kV/mm. Miękka struktura i właściwości izolujące wypełniaczy szczelinowych WE-TGF sprawiają, że nadają się one do stosowania między jednym lub większą liczbą podzespołów elementów elektronicznych a radiatorem (rys. 3).
W przypadku zastosowań, które wymagają zapewnienia izolacji elektrycznej przy cieńszym profilu, można zastosować przewodzące ciepło silikonowe podkładki izolacyjne z rodziny WE-TINS o współczynniku K=1,6…3,5 W/mK i grubości 0,23 mm. I tak, wersja 404035025 ma K=3,5 W/mK i EBR=6 kV/mm. Podobnie jak wszystkie pozostałe z tej serii jest zbudowana z przewodzącej ciepło gumy silikonowej i maty z włókna szklanego, która zwiększa wytrzymałość mechaniczną oraz jest odporna na przebicie i ścinanie. Dzięki dobrym właściwościom mechanicznym materiał ten może być dowolnie ściskany i ma dużą wytrzymałość na rozciąganie.
Jeszcze cieńsze są materiały wielofazowe (PCM, phase-changing material), takie jak WE-PCM i taśmy termotransferowe. Ich grubość wynosi tylko 0,02 mm. PCM zmienia się z ciała stałego w ciecz w określonej temperaturze, zapewniając całkowite zwilżenie połączenia bez żadnych wycieków. Są to rozwiązania przeznaczone do współpracy z układami scalonymi lub komponentami mocy i elementami chłodzącymi. Przykładowy produkt 402150101020 to arkusz o 100 mm² powierzchni z klejem po obu stronach, K=5 W/mK, EBR=3 kV/mm i temperaturą przemiany fazowej 55°C.
Dwustronna taśma termotransferowa WE-TTT ma współczynnik K 1 W/mK i EBR 4 kV/mm i jest przeznaczona do zastosowań, gdzie wzajemny nacisk elementów jest mały. Jest dostępna na 25-metrowych rolkach o szerokości 8 mm (artykuł 403012008) i 50 mm (403012050).
Rozwiązania rozpraszające ciepło z grafitu
Materiały TIM na bazie grafitu syntetycznego zapewniają najwyższy poziom przewodności cieplnej (rys. 4). Artykuł 4051210297017 z serii WE-TGS to rozpraszacz ciepła z grafitu syntetycznego o wymiarach 297×210 mm i współczynniku K=1800 W/mK, który nie zapewnia izolacji elektrycznej. Połączenie wysokiej przewodności cieplnej, lekkości i małej grubości (0,03 mm) sprawia, że produkty takie są przydatne w szerokim zakresie zastosowań, od chłodzenia modułów półprzewodnikowych dużej mocy po urządzenia przenośne.
Seria WE-TGFG to arkusze grafitowe z wkładkami piankowymi zapewniające współczynniki przewodności cieplnej K=400 W/mK i EBR 1 kV/mm. Można z nich tworzyć długie struktury pracujące jako rozpraszacze ciepła, transferujące ciepło poprzecznie ze źródła do elementu chłodzącego znajdującego się w innej części systemu (rys. 5). Na przykład produkt o oznaczeniu 407150045015 ma długość 45 mm, szerokość 15 mm i grubość 1,5 mm i może być wykorzystywany w aplikacjach, które wymagają wypełnienia szczelin i jednocześnie zapewnienia bocznego przenoszenia ciepła.
Osiągnięcie dużej przewodności cieplnej za pomocą podkładek silikonowych, takich jak wypełniacze WE-TGF, wymaga, aby zastosowana podkładka była jak najcieńsza. Projektanci mogą skorzystać z TIM WE-TGFG, aby wypełnić szczeliny do 25 mm ze znacznie wyższą przewodnością cieplną, niż jest to możliwe w przypadku podkładek silikonowych, a materiał ten może być wykonany w niestandardowych kształtach, aby pasował do nierównych przestrzeni (rys. 6).
Użycie kilku materiałów dla lepszej wydajności
Materiały TIM można ze sobą łączyć, aby zapewnić lepszą wydajność. Na przykład rozpraszacz z grafitu WE-TGS można połączyć z silikonowym wypełniaczem WE-TGF, aby użyć radiatora o wymiarze większym niż źródło ciepła, zwiększając zdolność chłodzenia całego modułu (rys. 7).
Ogólne zalecenia aplikacyjne
Niezależnie od typu materiału istnieje kilka ogólnych wskazówek dotyczących aplikacji, które projektanci muszą wziąć pod uwagę:
- powierzchnie podzespołu i elementu chłodzącego muszą być czyste i suche. W celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń powierzchni należy użyć bezpyłowej ściereczki i alkoholu izopropylowego,
- w przypadku materiałów, które wymagają kompresji, należy ściskać je równomiernie na całej powierzchni, uważając, aby nacisk nie przekroczył dopuszczalnej wartości,
- aby uzyskać najlepszą przewodność cieplną, należy wyeliminować wszystkie pęcherzyki powietrza i/lub szczeliny na powierzchni,
- zakres temperatur roboczych materiału musi odpowiadać kombinacji temperatury otoczenia i wzrostu temperatury chłodzonego elementu.
Podsumowanie
Zarządzanie temperaturą jest coraz większym problemem w wielu projektach. Zastosowanie materiałów termoprzewodzących ułatwia zapewnienie małej rezystancji termicznej niezbędnej do efektywnego przenoszenia ciepła, jednocześnie eliminując problemy związane z zanieczyszczeniem, które mogą pojawić się podczas używania past termicznych lub smarów.
Podczas gdy pasty i smary przenoszą ciepło tylko w pionie, projektanci mogą wybierać spośród wypełniaczy szczelinowych TIM, które przewodzą ciepło poziomo (poprzecznie).
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
