Povrchy jednotlivých komponent generujících teplo nejsou dostatečně hladké, aby měly nízkou tepelnou impedanci potřebnou k zajištění rychlého přenosu tepla. U některých komponent nejsou povrchy rovinné a některé komponenty jsou umístěny hluboko uvnitř zařízení, a to dále komplikuje odvod škodlivého tepla.
Tepelné pasty lze použít ke zlepšení tepelné vodivosti, ale zajištění efektivního přenosu tepla a zabránění její nadměrné aplikaci, která může způsobit kontaminaci stop na desce plošných spojů a vést ke zkratům, není jednoduché. Tepelná pasta navíc nedokáže odvádět teplo bokem od zdroje. Místo pasty lze použít speciální teplo vodivý materiál (TIM - thermal interface materials), který zajistí trvale nízkou tepelnou impedanci potřebnou pro účinný přenos tepla.
Pro splnění specifických potřeb systému mohou být materiály TIM strukturovány tak, aby přenášely teplo vertikálně nebo šířily teplo horizontálně. Materiály TIM jsou k dispozici v různých tloušťkách, aby odpovídaly požadavkům konkrétní aplikace, jsou mechanicky stabilní při zvýšených provozních teplotách a poskytují vysokou elektrickou izolaci a snadno se implementují.
Tento článek popisuje možnosti optimalizace teplotního managementu a představí obecné informace pro výběr materiálu TIM. Poté si uvedeme některé druhy TIM od Würth Elektronik a pro každý druh si ukážeme možnosti použití.
Co je to teplo vodivý materiál TIM?
TIM materiál se umisťuje mezi zdroj tepla a chladicí sestavu pro zlepšení tepelné vazby a tepelného toku. Účinnost tepelné vazby zvyšují dva faktory. První je schopnost TIM přizpůsobit se mikroskopickým povrchovým nerovnostem a eliminovat všechny vzduchové kapsy, které snižují tepelnou vodivost rozhraní (obrázek 1). Za druhé mají TIM tepelnou vodivost potřebnou k účinnému přenosu tepla ze zdroje do chladicí sestavy. Jednotka tepelné vodivosti K je watt na metr a stupeň Kelvina (W/mK). Měří se pomocí metody ASTM D5470 - Standardní zkušební metoda pro vlastnosti tepelného přenosu tepelně vodivých elektroizolačních materiálů.
Obrázek 1: TIM (modrá barva) se používá k vyplnění mikroskopických nepravidelností, které jsou na povrchu komponent a chladicích sestav, aby se zlepšilo tepelné spojení. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
Kromě tepelné vodivosti existuje při výběru TIM několik dalších parametrů:
- Rozsah provozních teplot je důležitý, protože pro různé rozsahy teplot jsou specifikovány různé TIM.
- Vzdálenost mezi dosedacími plochami a zda je nutné TIM stlačit, aby byl zajištěn optimální přenos tepla.
- Schopnost TIM odolávat tlaku.
- Některé TIM jsou k dispozici s lepidly nanesenými přímo na povrchu, a to umožňuje jednodušší implementaci.
- Elektrická izolační vlastnost TIM - některé materiály mohou být použity k zajištění elektrické izolace.
- Některé TIM jsou k dispozici jako standardní díly a některé jsou vyrobeny přímo na míru dle dané aplikace.
Tepelně vodivostní výplně
Silikonové výplňové hmoty WE-TGF jsou univerzální materiály navržené pro použití v aplikacích, kde na ně nepůsobí větší tlak. Důraz je kladen na elektrickou izolaci a TIM materiál je 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 plošných spojů. Tyto výplňové hmoty TIM jsou navrženy pro 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 mají vyšší úroveň tepelné vodivosti (obrázek 2).
Obrázek 2: Tepelně vodivostní výplně mezer od Würth pro širokou škálu aplikací. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
Například tepelně vodivostní podložka 40001020 o rozměrech 400 x 200 mm má tloušťku 2 mm s tepelnou vodivostí 1 W/mK a dielektrickou pevností nebo jmenovitým elektrickým průrazem EBR 8 kV/mm. Měkké a elektricky izolační vlastnosti výplní WE-TGF je činí vhodnými pro použití mezi jednu nebo více elektronickými součástkami a chladicí sestavou (obrázek 3).
Obrázek 3: Silikonová elastomerová výplňová podložka je navržena k vyplnění mezery mezi jednu nebo více elektronickými součástmi a chladicí sestavou, jako je chladič, chladicí deska nebo kovový kryt. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
Pro tepelný management, který vyžaduje elektrickou izolaci a tenčí profil, lze použít tepelně vodivou silikonovou izolační podložku WE-TINS s tepelnou vodivostí od 1,6 do 3,5 W/mK a tloušťkou 0,23 mm. Podložka 404035025 má tepelnou vodivost 3,5 W/mK a EBR 6 kV/mm. Všechny produkty řady WE-TINS jsou zhotoveny z tepelně vodivé silikonové pryže, která obsahuje síťovinu ze skleněných vláken. Síťovina dodává mechanickou pevnost a je odolná proti propíchnutí a střihu. V důsledku mechanických vlastností struktury mohou být tyto materiály TIM podle potřeby stlačovány a mají vysokou pevnost v tahu.
Termotransferové pásky a materiály PCM (thermal phase changing material) jsou ještě tenčí, jsou schopné dosáhnout tloušťky pouze 0,02 mm. Například řada WE-PCM se při specifické teplotě mění z pevné látky na kapalinu. To zajišťuje úplný kontakt ploch bez jakéhokoli rozlití nebo přetečení. Jsou navrženy pro použití s vysoce výkonnými integrovanými obvody nebo výkonovými součástmi a chladicími sestavami.
Například komponenta 402150101020 má plochu 100 mm2 a je potažena lepidlem na obou stranách. Její tepelná vodivost je 5 W/mK a EBR je 3 kV/mm. Teplota, kdy se materiál PCM mění na kapalinu, je 55 °C.
Termotransferová páska WE-TTT je oboustranná páska, která umožňuje dokonalou fixaci obou styčných ploch. Páska má tepelnou vodivost 1 W/mK a EBR má 4 kV/mm. Páska je k dispozici v šířkách 8 mm (číslo komponentu 403012008 ) a 50 mm (číslo komponenty 403012050 ) v rolích o délce 25 m.
Rozvaděče tepla na bázi grafitu
TIM na bázi syntetického grafitu nabízí vyšší hodnoty tepelné vodivosti (obrázek 4). Komponenta 4051210297017 z rodiny WE-TGS je rozvaděč tepla o rozměrech 297 x 210 mm s tepelnou vodivostí 1800 W/mK. Tento matriál ale neposkytuje žádnou elektrickou izolaci. Vysoká tepelná vodivost, nízká hmotnost a velmi tenká vrstva 0,03 mm je ideální kombinací pro výkonné polovodičové moduly.
Obrázek 4: Grafitové rozvaděče tepla nabízejí vysokou tepelnou vodivost ve velmi tenké vrstvě, a to 0,03 mm. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
Řada WE-TGFG je kombinace grafitové desky s pěnovou podložkou a vytváří jedinečná řešení tepelného managementu s tepelnou vodivostí 400 W/mK a EBR 1 kV/mm. Tato řada je vhodná pro přenos tepla bočně ze zdroje do chladicí sestavy umístěné v jiné části systému (obrázek 5). Například komponenta 407150045015 má rozměry 45 mm na délku, 15 mm na šířku a tloušťku 1,5 mm a je optimalizována pro vyplňování mezer a boční přenos tepla.
Obrázek 5: TIM umístěný na horní části funguje jako rozvaděč tepla, který přenáší teplo bočně pryč od zdroje tepla. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
WE-TGFG TIM jsou schopny vyplnit mezeru až do tloušťky 25 mm s mnohem vyšší tepelnou vodivostí, než je možné dosáhnout u silikonových podložek. WE-TGFG lze vytvarovat do jakéhokoli tvaru, aby se přizpůsobil dané aplikaci (obrázek 6).
Obrázek 6: Těsnění z grafitové pěny (uprostřed) může být vyrobeno v různém tvaru a může být použito jako rozhraní mezi zdrojem tepla (dole) a nerovinným prvkem pro rozptyl tepla (nahoře). (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
Kombinace různých teplo vodivých materiálů
TIM lze kombinovat a poskytovat tak lepší tepelný management. Například grafitový rozvaděč tepla WE-TGS lze zkombinovat se silikonovou výplní WE-TGF. Tím je možné použít chladič s půdorysem větší než zdroj tepla, čímž se zvýší chladicí schopnost celé sestavy (obrázek 7).
Obrázek 7: Kombinace grafitového rozvaděče tepla WE-TGS (TIM 1) se silikonovou výplní WE-TGF (TIM 2) umožňuje použití většího chladiče, než je plocha zdroje tepla, a tím se poskytuje lepší chlazení (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
Obecné doporučení
Bez ohledu na použitý matriál existuje několik obecných doporučení, které je dobré vzít v úvahu:
- Povrchy součástky (zdroje tepla) a chladiče musí být čisté a suché. K odstranění povrchové mastnoty a nečistot je vhodné použít tampon nebo hadřík, který nepouští vlákna a isopropylalkohol.
- Pokud použijeme materiál, který vyžaduje stlačení, měl by být materiál stlačen rovnoměrným tlakem po celé ploše. Materiál se může poškodit, pokud tlak překročí specifikovanou hodnotu.
- Pro dosažení nejlepší tepelné vodivosti musí být odstraněny všechny povrchové vzduchové bubliny a mezery.
- Provozní teplota TIM musí být v mezích okolní teploty a nárůstu teploty chlazené součásti.
Závěr
K zajištění optimálního tepelného managementu lze použít různé teplo vodivé materiály, které se označují TIM. Mezi nevíce používané TIM patří různé druhy silikonů, materiály PCM (thermal phase changing material), grafitové a pěnové podložky. Použití TIM zajišťuje vysokou tepelnou vodivost potřebnou pro efektivní přenos tepla. U těchto materiálů nedochází ke kontaminaci PCB, jako se to stává použitím tepelných past nebo maziv. Pasty a maziva přenášejí teplo pouze vertikálně, kdežto TIM jsou schopny odvést teplo také do boku.
Další informace:
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.
