Технологии в электронной промышленности №5'2008

Теплопроводящие подложки Dow Corning

Антон Большаков


Теплопроводящие подложки — новый класс технологических материалов на отечественном рынке. Они эффективны и просты в применении. Однако как их правильно выбрать? И является ли величина теплопроводности главной характеристикой, которой следует руководствоваться при выборе?

Введение

Теплопроводящие подложки Dow Corning (таблица) — это готовые к применению подложки из предварительно полимеризованного силиконового геля или эластомера с наполнителем, обеспечивающим заданную теплопроводность. Подложки могут быть армированными стекловолокном или иметь вспененную гелевую структуру.

Армирование подложек стекловолокном позволяет использовать их для отвода тепла при минимальных зазорах между тепловыделяющим компонен- том и радиатором, а также защитить печатный узел от загрязнений и механических частиц, присутствующих на радиаторе.

Теплопроводящие подложки, содержащие вспененную гелевую структуру, хорошо подходят для больших зазоров и компенсируют неравномерность, шероховатость и непараллельность поверхностей при минимальном усилии сжатия.

Теплопроводные подложки Dow Corning® обладают высокими теплопроводными свойствами, просты в применении и не требуют процессов полиме- ризации при нанесении, что в свою очередь способствует широкому применению данных материалов в различных устройствах, например:

  • контроллерах и процессорах;
  • силовых компонентах и модулях;
  • оптических компонентах, таких как лазерные диоды, мультиплексоры, приемопередатчики;
  • сенсорах;
  • источниках питания;
  • модулях памяти;
  • модулях управления двигателем;
  • трансформаторах высокого напряжения;
  • автомобильной электронике.

Важные характеристики подложек: теплопроводность и тепловое сопротивление

Это одни из основных характеристик, которые приводятся в технической документации. Ими руководствуются при выборе.

Теплопроводность (Вт/м·К), или объемная теплопроводность, связана с присущей каждому материалу способностью передавать тепло. Для теплопередающего материала объемная теплопроводность зависит от теплопроводности наполнителя и его массовой доли в составе материала.

Тепловое сопротивление (°С/Вт) — свойство материала препятствовать передаче тепла. Величина теплового сопротивления зависит от толщины материала, площади и характеристик соединяемых поверхностей. Предпочтение нужно отдавать материалу, позволяющему получить наименьшее тепловое сопротивление.

Название Описание Теплопроводность, Вт/м·К Доступная толщина, мм
Dow Corning TP-15XX* Теплопроводящие пленки, армированные стекловолокном;
клейкая поверхность с одной или двух сторон;
демпфируют нагрузки;
обеспечивают электрическую изоляцию
1,10–1,30 0,25
0,5
0,75
1,0
2,0
Dow Corning TP-21XX Подложки из предварительно полимеризованного
теплопроводного вспененного геля с алюминиевым
наполнителем, сжимаемые с двух сторон;
для плотного заполнения зазоров, клейкие с двух сторон
0,73 2,2
3,0
3,8
4,6
Dow Corning TP-22XX Теплопроводящие подложки, армированные стекловолокном;
удобны в применении;
демпфируют механические нагрузки
1,64 0,25
0,5
0,75
1,0
1,5
Dow Corning TP-23ХХ Подложки с высокой степенью сжимаемости;
имеют минимальное тепловое сопротивление;
просты в применении
1,4 2,2
3,0
3,8
4,6
Dow Corning ТР-35ХХ Теплопроводящие подложки, армированные стекловолокном;
мягкие;
демонстрируют высокую степень сжимаемости
3,5 0,5
0,75
1,0
1,5
Таблица. Номенклатура теплопроводящих подложек Dow Corning

Тепловое сопротивление или теплопроводность?

Какая характеристика наиболее важна для выбора теплопроводящей подложки: тепловое сопротивление или теплопроводность? Для ответа на этот вопрос следует учесть толщину зазора, где предпола- гается расположить подложку (рис. 1).


Рис. 1. Влияние величины зазора на выбор основной тепловой характеристики

Если необходимо использовать теплопроводящий материал толщиной меньше 50 мкм, то основная характеристика — это тепловое сопротивление, так как в данном случае тепловое сопротивление между фазами гораздо больше, чем тепловое сопротивление самого теплопроводящего материала.

Для соединения, чья толщина больше 150 мкм, ситуация обратная: тепловое сопротивление материала гораздо больше, чем тепловое сопротивление перехода между фазами. А значит, в этом случае доминирующей характеристикой является теплопроводность материала.

Как быть, если размеры зазора лежат в диапазоне 50–150 мкм? Тогда нужно подбирать материал с оптимальными характеристиками теплового сопротивления и теплопроводности и проводить испытания для определения доминирующего параметра.

Пути оптимизации для повышения эффективности отвода тепла:

  • достижение максимальной теплопроводности подложек;
  • уменьшение величины зазора между компонентом и радиатором;
  • уменьшение контактного сопротивления между поверхностями и теплопроводящим материалом.


Рис. 2. Мягкость подложек обеспечивает плотный контакт с поверхностью печатного узла

Не менее важные характеристики: мягкость и сжимаемость

Величина контактного теплового сопротивления также зависит от того, насколько плотно материал прилегает к поверхностям, в том числе неровным или непараллельным. Благодаря мягкости силиконовые теплопроводящие пленки подложки плотно прилегают к поверхности печатного узла и максимально повторяют его форму (рис. 2). Это позволяет обеспечить высокую эффективность теплопередачи от электронного компонента к радиатору. В общем случае, подложки, обладающие наибольшими значениями сжатия, обеспечивают меньшее тепловое сопротивление, меньшую нагрузку на компоненты и лучшие характеристики.

Выбирая теплопроводящие подложки, очень важно уделить внимание такому параметру, как сжимаемость. Например, если перед разработчиком стоит задача обеспечить отвод тепла на радиатор от печатного узла с компонентами различной высоты. Для решения такой задачи лучше применять не несколько подложек для каждого компонента, а одну большую на весь печатный узел, что позволит обеспечить повышение производительности установки подложек, а также дополнительное демпфирование ударных и вибрационных нагрузок во время эксплуатации и транспортировки изделия. При таком решении следует учитывать усилие, с которым сжатая подложка воздействует на компоненты различной высоты. Следует определить, не превышает ли это усилие максимально допустимое, но оно должно быть достаточным для обеспечения хорошего контакта, чтобы обеспечить теплоотвод с более низкого компонента.

На рис. 3 приведен пример такого решения. Обеспечение качественного контакта теплопроводящей подложки с низким компонентом требует ее сжатия на 25% и усилия на компонент 0,07 кгс/см2. При этом с высоким компонентом обеспечивается контакт сжатием подложки на 50% и усилием 1,75 кгс/см2.


Рис. 3. Пример применения теплопроводящей подложки на печатном узле с разной высотой компонентов

Чтобы убедиться, что при предполагаемой величине сжатия теплопроводящей подложки усилие на компонент не будет превышать допустимого, разработчику достаточно посмотреть техническое описание, где приводится зависимость усилия от степени сжатия и теплового сопротивления от усилия (рис. 4).


Рис. 4. Зависимость усилия от степени сжатия и теплового сопротивления от усилия

Преимущества силиконов — преимущества подложек

Помимо обеспечения эффективного отвода тепла теплопроводящие подложки обладают всеми свойствами, присущими силиконам: это сохранение своих физических и электрических свойств в широком диапазоне температур и влажности, стойкость к воздействию озона и деградации под действием ультрафиолета, а также хорошую химическую стойкость.


Рис. 5. Вырубленные подложки

Форма поставки имеет значение

Стандартная поставка теплопроводящих подложек осуществляется в листах или рулонах (рис. 5).

Интересное предложение компании Dow Corning — это поставка уже вырубленных подложек по чертежам, которые предоставил заказчик, что позволяет получить подложки сложной геометрической формы. При таком варианте, по сравнению с теплопроводящими пастами, обеспечивается стабильный объем теплопроводящего материала для каждого компонента. Процесс установки сводится к простому снятию подложки с пленки-носителя и установки ее на печатный узел. Причем такой процесс можно реализовать с использованием установщиков SMD-компонентов.


Рис. 6. Образцы теплопроводящих подложек

Заключение

Подложки Dow Corning доступны со значением теплопроводности от 1,3 до 4,5 Вт/м·К, они могут быть различной ширины и мягкости (рис. 6).

Поставляются готовыми к применению в листах, рулонах, вырубке и не требуют подготовительных операций, не нужно дозировать материал и проводить его полимеризацию.

Подложки Dow Corning обеспечивают демпфирование ударных и вибрационных нагрузок и эксплуатацию в широком диапазоне температур, демонстрируют хорошие электроизоляционные свойства.

Их с успехом можно применять на неровных и непараллельных поверхностях с минимальным усилием воздействия на компоненты. При этом обеспечивается простота использования и замены при ремонте.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо