Sposób optymalizacji odprowadzania ciepła za pomocą rozpraszaczy ciepła i wypełniaczy szczelin

Dobre odprowadzanie ciepła jest ważne dla zapewnienia odpowiednich parametrów działania i niezawodności urządzeń elektronicznych. Jego zasada działania jest prosta i polega na przeniesieniu niepożądanego ciepła z dala od źródła oraz rozprowadzeniu go na większym obszarze w celu efektywnego rozpraszania i chłodzenia. Jednak w wielu przypadkach implementacja może nastręczać trudności.

Powierzchnie urządzeń wytwarzających ciepło zazwyczaj nie są wystarczająco gładkie, aby zapewnić niską impedancję cieplną niezbędną do zapewnienia dobrego przenoszenia ciepła. Powierzchnie niektórych urządzeń nie są płaskie, co utrudnia odprowadzanie ciepła. Ponadto elementy, które wymagają chłodzenia, mogą znajdować się głęboko w systemie, co dodatkowo komplikuje wydobycie potencjalnie szkodliwego ciepła.

W celu poprawy przewodności cieplnej można stosować pasty i smary termiczne, jednak trudności nastręcza uzyskanie wymaganego pokrycia w celu zapewnienia dobrego przenoszenia ciepła i uniknięcia nałożenia nadmiernej ilości, która może spowodować zanieczyszczenie ścieżek na płytkach drukowanych i spowodować zwarcia. Ponadto pasty i smary termiczne nie mogą rozprowadzać ciepła na boki od źródła.

Zamiast tego projektanci mogą sięgnąć po różne materiały termoprzewodzące (TIM), w tym wypełniacze szczelin i rozpraszacze ciepła, aby zapewnić konsekwentnie niską impedancję termiczną niezbędną do efektywnego przenoszenia ciepła, jednocześnie eliminując wszelkie problemy związane z zanieczyszczeniem. Aby sprostać potrzebom konkretnego układu, materiały termoprzewodzące (TIM) można zastosować tak, aby przenosiły ciepło w pionie lub rozprowadzały je na boki. Materiały termoprzewodzące są dostępne w różnych grubościach na potrzeby spełnienia wymagań konkretnych zastosowań, są stabilne mechanicznie w podwyższonych temperaturach roboczych, co skutkuje wysoką niezawodnością, zapewniają dobrą izolację elektryczną i są łatwe w nakładaniu.

W niniejszym artykule omówiono problematykę odprowadzania ciepła i przedstawiono ogólne wytyczne dotyczące wyboru materiałów termoprzewodzących. Następnie przedstawiono kilka różnych materiałów termoprzewodzących firmy Würth Elektronik oraz przeanalizowano ich zastosowania i rozważania projektowe dla każdego z nich.

Czym są materiały termoprzewodzące (TIM)?

Materiały termoprzewodzące są umieszczane między źródłem ciepła a zespołem chłodzącym, aby poprawić sprzężenie termiczne i przepływ ciepła. Efektywność sprzężenia termicznego zwiększają dwa czynniki. Pierwszym z nich jest zdolność materiału termoprzewodzącego do dostosowywania się do mikroskopijnych nierówności powierzchni i eliminacji wszystkich kieszeni powietrza izolacyjnego, które zmniejszają przewodność cieplną połączenia (ilustracja 1). Po drugie materiały TIM mają przewodność cieplną wymaganą do skutecznego przenoszenia ciepła ze źródła do zespołu chłodzącego. Jednostką przewodności cieplnej K są waty na metr na stopień Kelvina (W/mK). Jest ona mierzona według normy ASTM D5470 „Standardowa metoda badania właściwości przekazywania ciepła termoprzewodzących materiałów do izolacji elektrycznej”.

Ilustracja 1: materiał termoprzewodzący (kolor niebieski) służy do wypełniania mikroskopijnych nierówności występujących na powierzchniach komponentów i zespołów chłodzących w celu poprawy sprzężenia termicznego. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Oprócz przewodności cieplnej przy wyborze materiału termoprzewodzącego należy wziąć pod uwagę kilka kwestii:

• Zakres temperatur roboczych jest ważny, ponieważ dla różnych zakresów temperatur przewidziane są różne materiały termoprzewodzące.
• Odległość między współpracującymi powierzchniami i to, czy materiał termoprzewodzący wymaga ściśnięcia, aby zapewnić optymalne przekazywanie ciepła.
• Odporność na ciśnienie ściskania materiału termoprzewodzącego.
• Niektórych materiałów termoprzewodzących używa się w połączeniu z klejem nałożonym na ich powierzchnię, który umożliwia mocowanie mechaniczne.
• Elektryczne właściwości izolacyjne materiału termoprzewodzącego (TIM), ponieważ niektóre materiały mogą być użyte do zapewnienia izolacji elektrycznej.
• Niektóre materiały termoprzewodzące są dostępne jako części standardowe bez minimalnej ilości zamówienia i bez kosztów narzędziowych, podczas gdy inne są dostępne w niestandardowych kształtach, które można zoptymalizować pod kątem wymagań konkretnego zastosowania.

Dostępne wypełniacze szczelin

Silikonowy wypełniacz szczelin WE-TGF jest materiałem ogólnego przeznaczenia do stosowania w układach niskociśnieniowych z izolacją elektryczną, w których ściśnięcie materiału termoprzewodzącego wynosi między 10% a 30% jego grubości. Przekroczenie zalecanego poziomu ściśnięcia może spowodować wypchnięcie oleju silikonowego, skrócenie oczekiwanej żywotności materiału i zanieczyszczenie płytki drukowanej. Materiały termoprzewodzące tego typu są przeznaczone do stosowania między dwiema mechanicznie zabezpieczonymi powierzchniami, ponieważ za przyczepność odpowiadają ich naturalne właściwości, a nie dodatkowy klej. Dostępne są grubości od 0,5 do 18mm i przewodności cieplne od 1 do 3W/mK. Grubości od 0,5 do 3mm zapewniają wyższe przewodności cieplne (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wypełniacze do szczelin termicznych firmy Würth pozwalają na zaspokojenie potrzeb szerokiej gamy zastosowań. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Na przykład poduszka o numerze katalogowym 40001020 posiada wymiary 400 x 200mm, grubość 2mm, współczynnik K 1W/mK i wytrzymałość dielektryczną lub wartość przebicia elektrycznego (E_BR) 8kV/mm. Miękkie i elektrycznie izolujące właściwości wypełniaczy szczelin WE-TGF sprawiają, że nadają się one do stosowania między jednym komponentem elektronicznym lub większą ich liczbą a zespołem chłodzącym (ilustracja 3).

Ilustracja 3: poduszka wypełniająca do szczelin wykonana z elastomeru silikonowego została zaprojektowana z myślą o wypełnianiu szczelin między co najmniej jednym komponentem elektronicznym a zespołem chłodzącym, takim jak radiator, płyta chłodząca lub metalowa obudowa. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

W przypadku zastosowań związanych z odprowadzaniem ciepła, które wymagają izolacji elektrycznej i cieńszego profilu, projektanci mogą zastosować termoprzewodzącą izolacyjną poduszkę silikonową WE-CYNY o współczynniku K od 1,6 do 3,5W/mK i grubości 0,23mm. Produkt o numerze katalogowym 404035025 ma współczynnik K 3,5W/mK i E_BR 6kV/mm. Podobnie jak wszystkie części z serii WE-TINS, wkładka 404035025 łączy przewodzącą ciepło gumę silikonową i siatkę z włókna szklanego. Siatka zwiększa wytrzymałość mechaniczną oraz jest odporna na przebicie i ścinanie. Dzięki właściwościom mechanicznym tej struktury, omawiane materiały termoprzewodzące (TIM) mogą być dowolnie ściskane i mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie.

Termiczne materiały zmiennofazowe i taśmy termoprzewodzące są jeszcze cieńsze, a ich grubość wynosi zaledwie 0,02mm. Na przykład seria zmiennofazowych materiałów termoprzewodzących WE-PCM zmienia postać z ciała stałego w ciecz w określonej temperaturze, zapewniając całkowite nawilżenie połączenia bez żadnych wycieków lub przelania. Są one przeznaczone do użytku z wysokowydajnymi układami scalonymi lub komponentami mocy i zespołami chłodzącymi. Na przykład produkt o numerze katalogowym 402150101020 ma powierzchnię 100mm2 i klej po obu stronach, współczynnik K 5W/mK, E_BR 3kV/mm, a temperatura przemiany fazowej wynosi 55°C.

Dwustronna taśma termoprzewodząca WE-TTT umożliwia mechaniczne mocowanie obu powierzchni styku. Ma współczynnik K 1W/mK i E_BR 4kV/mm oraz jest przeznaczona do zastosowań niskociśnieniowych. Jest dostępna w szerokościach 8mm (numer katalogowy 403012008) i 50mm (numer katalogowy 403012050) na rolkach 25m.

Grafitowe rozwiązania rozpraszające ciepło

Materiały termoprzewodzące (TIM) na bazie grafitu syntetycznego oferują najwyższy poziom przewodności cieplnej (ilustracja 4). Produkt o numerze katalogowym 4051210297017 z grupy WE-TGS to rozpraszacz ciepła z grafitu syntetycznego o wymiarach 297 x 210mm i współczynniku K 1800W/mK, który nie zapewnia izolacji elektrycznej. Połączenie wysokiej przewodności cieplnej, lekkości i cienkości (0,03mm) sprawia, że te arkusze grafitowe są przydatne w szerokim zakresie zastosowań, od modułów półprzewodnikowych dużej mocy po urządzenia przenośne.

Ilustracja 4: grafitowe rozpraszacze ciepła zapewniają wysoką przewodność cieplną w wielu wymiarach i mają grubość zaledwie 0,03mm. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Produkty serii WE-TGFG łączą w sobie arkusze grafitowe z poduszkami piankowymi, tworząc unikalne rozwiązania odprowadzania ciepła o współczynniku K 400W/mK i E_BR 1kV/mm. W roli rozpraszaczy ciepła można wykorzystać odpowiednio przygotowane długie uszczelki, przenoszące ciepło poprzecznie ze źródła do zespołu chłodzącego znajdującego się w innej części układu (ilustracja 5). Na przykład produkt o numerze katalogowym 407150045015 ma 45mm długości, 15mm szerokości i 1,5mm grubości. Może być używany w zastosowaniach, które wymagają wypełniania szczelin i bocznego przenoszenia ciepła.

Ilustracja 5: materiał termoprzewodzący (TIM) umieszczony na gorącym komponencie może działać jak rozpraszacz ciepła, przenosząc ciepło na boki od komponentu. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Osiągnięcie wyższej przewodności cieplnej za pomocą poduszek silikonowych, takich jak wypełniacze szczelin WE-TGF wymaga cieńszych poduszek. W celu wypełnienia szczelin do 25mm ze znacznie wyższą przewodnością cieplną niż jest to możliwe w przypadku poduszek silikonowych, projektanci mogą skorzystać z materiału termoprzewodzącego WE-TGFG, który można nabyć w niestandardowych kształtach, aby pasował do przestrzeni nieplanarnych (ilustracja 6).

Ilustracja 6: uszczelka z pianki grafitowej (środek) może być wykonana w różnych kształtach i używana do łączenia źródła ciepła (na dole) z nieplanarnym elementem rozpraszającym ciepło (na górze). (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Łączenie materiałów termoprzewodzących (TIM) w celu uzyskania lepszych parametrów działania

Materiały termoprzewodzące można ze sobą łączyć, aby zapewnić lepsze parametry. Na przykład grafitowy rozpraszacz ciepła WE-TGS można połączyć z silikonowym wypełniaczem szczelinowym WE-TGF, aby umożliwić zastosowanie radiatora o obrysie większym niż źródło ciepła, zwiększając zdolność chłodzenia całego zespołu (ilustracja 7).

Ilustracja 7: połączenie grafitowego rozpraszacza ciepła WE-TGS (materiał TIM 1) z silikonowym wypełniaczem szczelinowym WE-TGF (materiał TIM 2) pozwala na zastosowanie radiatora większego od powierzchni gorącego elementu, zapewniając lepsze chłodzenie. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Ogólne wytyczne dotyczące nakładania

Niezależnie od typu używanych materiałów termoprzewodzących (TIM), istnieje kilka ogólnych wskazówek dotyczących ich nakładania, które projektanci muszą wziąć pod uwagę:

• Powierzchnie komponentu i zespołu chłodzącego muszą być czyste i suche. W celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń z powierzchni należy użyć wacika lub ściereczki nie zostawiających włókien i alkoholu izopropylowego.
• W przypadku stosowania materiału termoprzewodzącego, który wymaga ściśnięcia, należy go ściskać równomiernie na całej powierzchni. Jeśli zastosowany nacisk przekroczy określoną wartość znamionową, materiał może ulec uszkodzeniu.
• Aby uzyskać najlepszą przewodność cieplną, należy wyeliminować wszystkie pęcherzyki powietrza i szczeliny na powierzchni.
• Temperatura robocza materiału termoprzewodzącego musi być odpowiednia dla temperatury otoczenia i wzrostu temperatury chłodzonego elementu.

Podsumowanie

Odprowadzanie ciepła jest problemem w wielu projektach układów elektronicznych. Projektanci mogą skorzystać z szerokiej gamy różnych materiałów termoprzewodzących (TIM), w tym silikonów, materiałów zmiennofazowych, grafitu i poduszek piankowych. Zastosowanie materiału termoprzewodzącego (TIM) pozwala zapewnić konsekwentnie niską impedancję termiczną niezbędną do efektywnego przenoszenia ciepła przy jednoczesnej eliminacji wszelkich problemów związanych z zanieczyszczeniami, które mogą pojawić się podczas używania past termicznych lub smarów.

Podczas gdy pasty i smary przenoszą ciepło tylko w pionie, projektanci mogą wybrać materiały termoprzewodzące takie jak wypełniacze szczelin, które przewodzą ciepło w pionie, lub rozpraszaczy ciepła, które mogą przewodzić ciepło na boki. Wreszcie wiele materiałów termoprzewodzących jest dostępnych bez konieczności osiągania minimalnej ilości zamówienia lub ponoszenia kosztów narzędziowych, co czyni je ekonomicznym wyborem dla projektów wymagających odprowadzania ciepła.

Rekomendowane artykuły

1. Wprowadzenie do tematyki odprowadzania ciepła
2. Jak się nie przegrzać: podstawy doboru i stosowania radiatorów