Ciepło i elektryczność – dwa różne wymagania w jednym interfejsie
Podczas pracy komponent półprzewodnikowy – taki jak tranzystor mocy, MOSFET, IGBT czy dioda – generuje ciepło. Jeżeli temperatura jego struktury przekroczy dopuszczalny poziom, może dojść do pogorszenia parametrów elektrycznych, skrócenia żywotności, a w skrajnym przypadku do uszkodzenia elementu.
Najprostszym sposobem ograniczenia temperatury jest przekazanie ciepła do radiatora, który następnie oddaje je do otoczenia. Problem pojawia się wtedy, gdy powierzchnia radiatora nie może znaleźć się na tym samym potencjale elektrycznym co obudowa lub element półprzewodnikowy. Bez odpowiedniej warstwy izolacyjnej połączenie mechaniczne może stać się niepożądanym połączeniem elektrycznym.
W tym miejscu szczególnego znaczenia nabierają folie termoprzewodzące elektroizolujące, będące jedną z grup materiałów TIM (Thermal Interface Materials). Klasyczny materiał izolacyjny rozwiązuje problem elektryczny, ale może jednocześnie stanowić znaczącą barierę dla przepływu ciepła. Zadaniem folii elektroizolującej jest znalezienie kompromisu: umożliwienie przepływu ciepła przez cienką warstwę materiału przy zachowaniu właściwości dielektrycznych. Dlatego nie należy traktować jej wyłącznie jako „izolatora pod radiator” – z punktu widzenia projektowania termicznego jest ona elementem całego toru cieplnego.
W grupie tej MTC, którego rozwiązania z zakresu Thermal Management oferuje ARIZO, wykorzystuje m.in. materiały na bazie silikonu wzmacnianego włóknem szklanym oraz konstrukcje wykorzystujące powłokę silikonową na folii poliestrowej.
Dlaczego grubość i powierzchnia kontaktu mają kluczowe znaczenie?
W analizie interfejsu termicznego podstawowym parametrem jest opór cieplny. Dla jednorodnej warstwy materiału można go przedstawić zależnością:
Rθ = t / (k · A)
gdzie t oznacza grubość materiału, k jego przewodność cieplną, a A powierzchnię efektywnego kontaktu.
Zależność ta wykazuje, że grubość materiału ma bezpośredni wpływ na jego opór cieplny – nawet materiał o wysokiej przewodności cieplnej nie zapewni oczekiwanej wydajności, jeżeli zostanie zastosowany w zbyt dużej grubości. W rzeczywistej aplikacji dochodzi również rezystancja cieplna na granicy materiał–komponent oraz materiał–radiator.
W skali mikroskopowej każda metalowa powierzchnia radiatora oraz komponentu posiada nierówności. Bez materiału interfejsowego rzeczywisty obszar kontaktu jest znacznie mniejszy od nominalnego, a w mikroszczelinach znajduje się powietrze stanowiące bardzo słaby przewodnik ciepła. Materiał TIM wypełnia te nierówności i poprawia kontakt termiczny. W przypadku folii termoprzewodzących szczególne znaczenie ma ich zdolność do dopasowania się do powierzchni oraz zachowanie odpowiednich właściwości przy określonym nacisku. Folie z oferty ARIZO są szczególnie interesujące w aplikacjach wymagających niskiego docisku montażowego, gdzie nie można zastosować dużej siły mocującej lub delikatne komponenty wykluczają agresywne rozwiązania mechaniczne.
Wysoka przewodność cieplna to nie jedyne kryterium doboru
W katalogach materiałów termoprzewodzących jednym z pierwszych parametrów jest przewodność cieplna wyrażana w W/m·K. W rozwiązaniach MTC dostępnych w ARIZO parametry materiałowe kształtują się następująco:
- przewodność cieplna poszczególnych folii wynosi od 1,2 do 7,0 W/m·K;
- grubość mieści się w zakresie od około 0,18 mm do 10 mm;
- deklarowana temperatura pracy ciągłej sięga 200°C.
Interpretacja tych danych wymaga jednak ostrożności – materiał o przewodności 7 W/m·K nie będzie automatycznie lepszym rozwiązaniem niż materiał o przewodności 1,2 W/m·K. Właściwy wybór musi uwzględniać cały interfejs: geometrię warstwy, nierówności powierzchni, właściwości dielektryczne i wytrzymałość elektryczną, a także podatność materiału przy danym nacisku.
Przykładowo folie z silikonu wzmacnianego włóknem szklanym pozwalają połączyć właściwości termiczne i elektryczne z odpowiednią wytrzymałością mechaniczną. Zmiana twardości, grubości czy zakresu temperatur pozwala dopasować materiał do konkretnego połączenia – od niewielkiej, sztywnej powierzchni komponentu po większy element wymagający pewnej podatności. Nie istnieje jeden uniwersalny TIM optymalny dla każdej aplikacji.
Obszary zastosowań i całościowe podejście do chłodzenia
Naturalnym obszarem zastosowań folii termoprzewodzących elektroizolujących są układy generujące duże ilości ciepła i wymagające odseparowania elektrycznego od radiatora. Należą do nich m.in. elektronika mocy, zasilacze, przetwornice, moduły półprzewodnikowe, sterowniki oraz urządzenia przemysłowe. Rozwiązania TIM MTC wspierają zarządzanie temperaturą w sektorach takich jak energetyka, automotive, kolejnictwo, przemysł, telekomunikacja czy elektronika.
Folia umieszczona bezpośrednio pomiędzy elementem generującym ciepło a radiatorem ogranicza ryzyko niepożądanego kontaktu elektrycznego i tworzy kontrolowaną drogę przepływu energii cieplnej. Skuteczne chłodzenie nie zależy bowiem wyłącznie od parametrów samego radiatora. Energia cieplna musi przejść przez cały układ: od struktury półprzewodnikowej, przez obudowę komponentu, materiał interfejsowy, radiator, aż do otoczenia.
Każdy z tych etapów wnosi określony opór cieplny. Jeżeli jeden z elementów stanowi ograniczenie, zastosowanie większego radiatora nie przyniesie oczekiwanego efektu. Dlatego TIM nie powinien być traktowany jako nieistotny element znajdujący się „pomiędzy” komponentem a radiatorem. Nowoczesny Thermal Management polega na znalezieniu rozwiązania spełniającego jednocześnie wymagania termiczne, elektryczne, mechaniczne, konstrukcyjne i produkcyjne. Podsumowując, dobrze zaprojektowany system chłodzenia nie zaczyna się od radiatora – zaczyna się od właściwie zaprojektowanego interfejsu termicznego.
Źródło: ARIZO Sp. z o.o.
Więcej na arizo.com.pl
