Optimalizace regulace tepla pomocí odvaděčů tepla a výplní mezer

Dobrá regulace tepla je důležitá k zajištění výkonu a spolehlivosti elektronických zařízení. Je to koncepčně jednoduché – taková regulace začíná přenosem nežádoucího tepla pryč od zdroje a jeho šířením na větší plochu pro zajištění efektivního rozptylu a chlazení. Ale v mnoha případech může být implementace náročná.

Povrchy zařízení generujících teplo nejsou obvykle dostatečně hladké, aby měly nízkou tepelnou impedanci potřebnou k zajištění dobrého přenosu tepla. U některých zařízení nejsou povrchy rovinné, což zvětšuje problém regulace tepla. Součástky, které je třeba ochladit, mohou být také hluboko uvnitř systému, což extrakci potenciálně škodlivého tepla dále komplikuje.

Ke zlepšení tepelné vodivosti lze použít teplovodivé pasty a maziva, ale získání potřebného pokrytí pro zajištění dobrého přenosu tepla a zabránění nadměrné aplikaci, která může způsobit kontaminaci spojů na desce plošných spojů a vést ke zkratům, může být složité. Teplovodivé pasty a maziva navíc nemohou šířit teplo bočně pryč od zdroje.

Místo toho mohou konstruktéři využít různé teplovodivé materiály (TIM), včetně výplní mezer a odvaděčů tepla, aby zajistili trvale nízké tepelné impedance potřebné pro účinný přenos tepla a zároveň eliminovali jakékoli obavy z kontaminace. Pro splnění specifických potřeb systému mohou být TIM strukturovány tak, aby přenášely teplo vertikálně nebo šířily teplo bočně. TIM jsou k dispozici v různých tloušťkách, aby odpovídaly požadavkům konkrétních aplikací, jsou mechanicky stabilní při zvýšených provozních teplotách pro dobrou spolehlivost, mohou poskytovat vysokou elektrickou izolaci a snadno se nanášejí.

V tomto článku je shrnuta regulace tepla a poskytnuty obecné pokyny pro výběr TIM. Pak si zde představíme několik možností TIM od společnosti Würth Elektronik a prozkoumáme faktory týkající se jejich jednotlivých aplikací a návrhu.

Co jsou TIM?

TIM se umisťují mezi zdroj tepla a chladicí sestavu ke zlepšení tepelné vazby a tepelného toku. Účinnost tepelné vazby zvyšují dva faktory. První je schopnost TIM přizpůsobit se mikroskopickým povrchovým nerovnostem, a eliminovat tak všechny kapsy izolačního vzduchu, které snižují tepelnou vodivost rozhraní (obrázek 1). Druhým je, že TIM mají tepelnou vodivost potřebnou k účinnému přenosu tepla ze zdroje do chladicí sestavy. Tepelná vodivost K je číselně vyjádřena jako watty na metr na stupeň Kelvina (W/mK). Měří se pomocí standardu ASTM D5470 – „Standardní zkušební metody pro vlastnosti prostupu tepla tepelně vodivých elektrických izolačních materiálů“.

Obrázek 1: TIM (modře) se používá k vyplnění mikroskopických nepravidelností, které se nacházejí na povrchu součástí a chladicích sestav, aby se zlepšilo tepelné spojení. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Kromě tepelné vodivosti existuje při výběru TIM několik aspektů:

• Důležitý je rozsah provozních teplot, protože pro různé rozsahy teplot jsou specifikovány různé TIM.
• Vzdálenost mezi styčnými plochami a zda je TIM nutné stlačit, aby byl zajištěn optimální přenos tepla.
• Schopnost TIM odolávat kompresnímu tlaku.
• Některé TIM jsou k dispozici s lepidly nanesenými na jejich povrchy, které umožňují mechanické upevnění.
• Elektrická izolační vlastnost TIM, protože některé materiály mohou být použity k zajištění elektrické izolace.
• Některé TIM jsou k dispozici jako standardní díly bez minimálního množství objednávky a bez nákladů na nástroje, zatímco jiné jsou k dispozici ve vlastních konfiguracích, které lze optimalizovat pro specifické požadavky aplikace.

Volby výplně mezer

Silikonová výplň mezer WE-TGF je univerzální materiál navržený pro použití v aplikacích s nízkým tlakem, které těží z elektrické izolace, kde je TIM stlačen na 10 % až 30 % své tloušťky. Překročení doporučené úrovně komprese může mít za následek vytlačení silikonového oleje, snížení očekávané životnosti materiálu a možnou kontaminaci desky s plošnými spoji. Tyto TIM jsou navrženy k použití mezi dvěma mechanicky bezpečnými povrchy, protože neobsahují žádné další lepidlo nad rámec jejich přirozené lepivosti. K dispozici jsou tloušťky od 0,5 do 18 mm s tepelnou vodivostí mezi 1 a 3 W/mK. Tloušťky od 0,5 do 3 mm podporují vyšší úrovně tepelné vodivosti (obrázek 2).

Obrázek 2: Teplovodivé výplně mezer od společnosti Würth jsou k dispozici pro splnění potřeb široké škály aplikací. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Například pod objednacím číslem 40001020 se skrývá podložka 400 × 200 mm, která má tloušťku 2 mm s K o hodnotě 1 W/mK a dielektrickou pevnost nebo hodnotu elektrického průrazu (E_BR) 8 kV/mm. Výplně mezer WE-TGF jsou díky měkkým a elektricky izolačním vlastnostem vhodné k použití mezi jednou nebo více elektronickými součástkami a chladicí sestavou (obrázek 3).

Obrázek 3: Silikonová elastomerová podložka výplně mezer je navržena k vyplnění mezery mezi jednou nebo více elektronickými součástkami a chladicí sestavou, jako je chladič, chladicí deska nebo kovový kryt. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Pro aplikace regulace tepla, které vyžadují elektrickou izolaci a tenčí profil, mohou konstruktéři použít tepelně vodivou silikonovou izolační podložku WE-TINS s hodnotou K od 1,6 do 3,5 W/mK a tloušťkou 0,23 mm. Objednací číslo 404035025 nabízí hodnotu K 3,5 W/mK a E_BR 6 kV/mm. Stejně jako všechny součásti řady WE-TINS kombinuje model 404035025 tepelně vodivou silikonovou pryž a síťovinu ze skleněných vláken. Síťovina dodává mechanickou pevnost a je odolná proti proražení a střihu. V důsledku mechanických vlastností struktury mohou být tyto TIM podle potřeby stlačovány a mají vysokou pevnost v tahu.

Teplovodivé materiály měnící fázi a pásky s tepelným přenosem jsou ještě tenčí, s profily pouze 0,02 mm. Například řada WE-PCM TIM měnících fázi se při specifické teplotě mění z pevné látky na kapalinu, což poskytuje úplné smočení rozhraní bez jakéhokoli rozlití nebo přetečení. Řada je navržena k použití s vysoce výkonnými integrovanými obvody nebo výkonovými součástkami a chladicími sestavami. Například objednací číslo 402150101020 měří 100 mm čtverečních s lepidlem na obou stranách, má hodnotu K 5 W/mK, E_BR 3 kV/mm a teplotu změny fáze 55 °C.

Páska s tepelným přenosem WE-TTT je oboustranná páska, která umožňuje mechanickou fixaci obou styčných ploch. Má hodnotu K 1 W/mK a E_BR 4 kV/mm a je určena pro aplikace s nízkým tlakem. Je k dispozici v šířkách 8 mm (objednací číslo 403012008) a 50 mm (objednací číslo 403012050) ve 25m rolích.

Grafitová řešení šíření tepla

Nejvyšší úrovně tepelné vodivosti nabízí TIM na bázi syntetického grafitu (obrázek 4). Objednací číslo 4051210297017 z řady WE-TGS je odvaděč tepla ze syntetického grafitu o rozměrech 297 × 210 mm s hodnotou K 1 800 W/mK, který neposkytuje žádnou elektrickou izolaci. Díky kombinaci vysoké tepelné vodivosti, nízké hmotnosti a tenkosti (0,03 mm) jsou tyto grafitové listy užitečné v široké řadě aplikací od vysoce výkonných polovodičových modulů až po zařízení do ruky.

Obrázek 4: Grafitové odvaděče tepla nabízejí vysokou tepelnou vodivost ve více rozměrech a jsou tenké jen 0,03 mm. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Řada WE-TGFG kombinuje grafitové listy s pěnovými podložkami, a vytváří tak unikátní řešení regulace tepla s hodnotou K 400 W/mK a E_BR 1 kV/mm. Dlouhá těsnění mohou být vyrobena tak, aby sloužila jako odvaděče tepla, přenášející teplo bočně ze zdroje do chladicí sestavy umístěné v jiné části systému (obrázek 5). Například součástka 407150045015 měří 45 mm na délku, 15 mm na šířku a 1,5 mm na tloušťku a lze ji použít v aplikacích, které potřebují vyplňování mezer a boční přenos tepla.

Obrázek 5: TIM umístěný na horní části horké součástky může fungovat jako odvaděč tepla, který přenáší teplo bočně pryč od součástky. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Dosažení vyšší tepelné vodivosti pomocí silikonových podložek, jako jsou výplně mezer WE-TGF, vyžaduje, aby byla podložka tenčí. Konstruktéři mohou použít modely TIM WE-TGFG, aby vyplnili mezery až do 25 mm s mnohem vyšší tepelnou vodivostí, než je možné u silikonových podložek, a součástky WE-TGFG lze vyrobit s přizpůsobenou geometrií, aby se vešly do prostor, které nejsou rovinné (obrázek 6).

Obrázek 6: Těsnění z grafitové pěny (uprostřed) může být vyrobeno s různými geometriemi a může být použito jako rozhraní mezi zdrojem tepla (dole) a nerovinným prvkem pro rozptyl tepla (nahoře). (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Kombinace TIM pro lepší výkon

TIM lze kombinovat, a poskytovat tak vyšší úrovně výkonu. Například grafitový odvaděč tepla WE-TGS lze zkombinovat se silikonovou výplní mezer WE-TGF, aby bylo možné použít chladič s půdorysem větším než zdroj tepla, čímž se zvýší chladicí schopnost celé sestavy (obrázek 7).

Obrázek 7: Kombinace grafitového odvaděče tepla WE-TGS (TIM 1) se silikonovou výplní mezer WE-TGF (TIM 2) může umožnit použití většího chladiče, než je půdorys horké součásti, což poskytuje lepší chlazení. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Obecné pokyny pro aplikaci

Bez ohledu na použitý TIM nebo více TIM existuje několik obecných pokynů pro aplikaci, které musí vzít konstruktéři v úvahu:

• Povrchy součástky a chladicí sestavy musí být čisté a suché. K odstranění kontaminace povrchu by měl být použit tampon nebo hadřík nepouštějící vlákna a izopropylalkohol.
• Při použití TIM, které vyžadují stlačení, by měl být materiál stlačen rovnoměrným tlakem po celé ploše. Pokud by aplikovaný tlak překročil specifikovanou hodnotu, mohl by se materiál poškodit.
• Pro dosažení nejlepší tepelné vodivosti musí být odstraněny všechny povrchové vzduchové bubliny a mezery.
• Provozní teplota TIM musí být schopna přizpůsobit se kombinaci okolní teploty a nárůstu teploty chlazené součástky.

Závěr

Regulace tepla je problémem v celé řadě návrhů elektronických systémů. Jak je ukázáno, mohou konstruktéři použít širokou škálu TIM vyrobených z různých materiálů včetně silikonů, materiálů měnících fázi, grafitu a pěnových podložek. Použití TIM může zajistit trvale nízké tepelné impedance potřebné pro efektivní přenos tepla a zároveň eliminovat jakékoli obavy z kontaminace, které mohou nastat při použití teplovodivých past nebo maziv.

Zatímco pasty a maziva přenášejí teplo pouze vertikálně, konstruktéři si mohou vybrat mezi TIM s výplněmi mezer, které vedou teplo vertikálně, nebo odvaděči tepla, které mohou vést teplo bočně. A konečně je mnoho TIM dostupných bez minimálního množství objednávky nebo nákladů na nástroje, což z nich dělá ekonomickou volbu pro návrhy regulace tepla.

Doporučeno k přečtení

1. Úvod k regulaci tepla
2. Jak zůstat chladným: základní pravidla výběru a používání chladičů