Решения для обеспечения теплового режима

Закон охлаждения Ньютона утверждает, что скорость отдачи тепла пропорциональна разнице температур между нагретым телом и окружающей средой. Поэтому, как только температура компонента увеличится и достигнет температуры равновесия, количество отдаваемого тепла в секунду будет равным количеству тепла, вырабатываемому в секунду внутри компонента. Эта температура может быть достаточно высокой, что значительно сократит срок службы компонента или даже приведет к неисправности изделия. Именно в таких случаях и необходимо принимать меры по обеспечению теплового режима. Те же соображения относятся ко всему узлу или устройству, в состав которого входят отдельные компоненты, выделяющие тепло. Компонент отдает тепло в окружающую среду у его поверхности. Теплопередача возрастает с увеличением площади поверхности компонента. Небольшой компонент, выделяющий 10 Вт, достигнет более высокой температуры, чем компонент с близким выделением мощности, но с большей площадью поверхности. Именно поэтому применяются радиаторы. Имеющие различные размеры и форму, они могут быть подобраны так, чтобы обеспечить значительное увеличение площади поверхности для максимального рассеяния тепла. Радиаторы обычно присоединяют к компонентам, которые при работе выделяют большое количество тепловой энергии, и таким образом отводят ее от компонента во избежание выхода из строя из-за перегрева.

За многолетний период радиаторы доказали свою высокую эффективность, однако, чтобы обеспечить полное прилегание и, как следствие, максимальную эффективность, вместе с радиаторами применяются и материалы для обеспечения теплового режима. Даже после тонкой полировки металлические поверхности имеют некоторую шероховатость. Из этого можно сделать вывод, что при соединении двух металлических поверхностей прилегание окажется не 100%-ным и между ними всегда будет присутствовать воздушный зазор. Заполнение таких зазоров контактным материалом с тепловыми свойствами обеспечивает полное прилегание между двумя поверхностями, а значит, создает лучшую теплопроводность. Постоянное стремление к миниатюризации изделий в сочетании с современными компонентами, потребляющими все более высокую мощность, убеждает том, что эффективное обеспечение теплового режима является важнейшей составляющей как современных, так и будущих разработок в электронике, где лишь одним из примеров является рынок светодиодного освещения. На основе материалов для обеспечения теплового режима также имеются решения для повышения эффективности разработок в области экологически чистой энергии, для фотоэлектрических инверторов, известных особой чувствительностью к температуре, для соединений между тепловыми трубками и емкостью с водой в системах солнечного отопления, для водородных топливных элементов, ветряных электрогенераторов — все это лишь малая часть примеров.

Теплопроводные составы находят применение в производстве электронных компонентов, в теплотехнике и измерительной технике, а также при изготовлении радиоэлектронных устройств с высоким тепловыделением. Термоинтерфейсы имеют следующие формы:

• теплопроводящие пастообразные составы;
• компаунды;
• полимеризующиеся теплопроводные составы;
• теплопроводящие клеящие составы;
• теплопроводящие прокладки;
• припои и жидкие металлы.

Далее рассмотрим теплопроводящие пасты, клеи/адгезивы и заливочные материалы на примере продукции компании Electrolube.

Компания Electrolube на протяжении 75 лет разрабатывает решения для развития техники и улучшения технических характеристик. Ее специалисты постоянно работают над улучшением характеристик всех линеек продуктов для отмывки, защитных покрытий, заливочных компаундов, средств для обеспечения теплового режима, контактных смазок и материалов для технического обслуживания в области электроники и общего применения.

В ответ на все более высокий спрос разработаны специализированные решения для обеспечения теплового режима:

• бессиликоновые пасты;
• силиконовые пасты;
• материалы холодного отверждения и материалы для склеивания;
• заливочные компаунды;
• материалы с теплопроводностью от 0,9 до 3,4 Вт/м∙К.

Теплопроводящие пасты состоят из теплопроводящих наполнителей, находящихся в жидкости-носителе. Теплопроводящие пасты не отвердевают, поэтому являются самым подходящим решением, когда важна ремонтопригодность, и обеспечивают универсальность применения за счет отсутствия геометрических ограничений, влияющих на отверждение.

Технологи компании Electrolube разработали силиконовые и бессиликоновые теплопроводящие пасты (рис. 1).

Рис. 1. Силиконовые и бессиликоновые теплопроводящие пасты компании Electrolube

Силиконовые материалы обладают более высокой предельно допустимой температурой +200 °C и являются системами с меньшей вязкостью благодаря использованию базового силиконового масла. Для определенных задач использование материалов на основе силикона и содержащих силикон материалов может быть запрещено. Это происходит из-за ряда факторов. Примерами могут служить определенные области применения электроники, а также случаи, когда наблюдаются проблемы с процессами отмывки или приклейки. Подобные трудности возникают из-за миграции силоксанов с малым молекулярным весом. Эти летучие соединения могут уменьшать поверхностное натяжение на подложке, что сильно усложняет ее отмывку и приклеивание к ее поверхности. Кроме того, миграция силоксанов с малым молекулярным весом может приводить к отказам электронных устройств из-за образования побочных изоляционных продуктов. Материалы созданы из исходных веществ, специально предназначенных для электронной промышленности. Поэтому содержащие силикон материалы применяются только в тех случаях, где фракции с малым молекулярным весом постоянно контролируются и поддерживаются на абсолютном минимуме. В качестве альтернативного варианта также поставляется линейка бессиликоновых материалов для ответственных применений.

Линейка теплопроводящих материалов Extra от компании Electrolube представляет собой усовершенствованную версию бессиликоновых теплопроводящих материалов HTC и HTCP. Пасты линейки X производятся с применением одной из запатентованных технологий компании и обладают следующими преимуществами практически не в ущерб применимости и вязкости: повышенная относительная теплопроводность, меньшее выделение масла и меньшая потеря веса при испарении. Теплопроводящие пасты HTCPX используются преимущественно для заполнения зазоров, их внедрение было одобрено одним из ведущих производителей в автомобильной промышленности. Материалы линейки Extra также более устойчивы к влажности и термоциклированию (с быстрым изменением температуры при нагревании и охлаждении) по сравнению с пастами обычных линеек. На графике на рис. 2 изображено влияние влажности (168 ч, +25 °C, относительная влажность 90%) и термоциклирования (25 циклов, –25…+65 °C) на теплопроводящие пасты HTC и HTCX. Результаты показывают, что после данного воздействия реология пасты HTC изменяется, в результате при увеличении скорости сдвига повышается и вязкость, проявляя дилатантное поведение. Однако паста HTCX в этих условиях демонстрирует большую стабильность: после воздействия ее реология и вязкость остаются без изменений. Паста HTCX проявляет псевдопластические свойства, теряя вязкость с увеличением скорости сдвига (рис. 2).

Рис. 2. Реология теплопроводящих паст HTC и HTCX до и после испытаний на влагостойкость и термоциклирование

Помимо термопаст, были также разработаны термосвязующий клей под сокращенным названием TBS и два материала холодного отверждения: TCOR и TCER (рис. 3). Клей TBS (Thermal Bonding System) — двухкомпонентный высокопрочный эпоксидный клей, предназначенный для соединения радиаторов с компонентами. Кроме минеральных наполнителей, клей содержит маленькие стеклянные шарики с нормированным диаметром. Это позволяет получить заданную толщину слоя 200 мкм, обеспечивая оптимальные рабочие характеристики. TCOR и TCER являются силиконовыми материалами холодного отверждения от компании Electrolube. Материал TCOR — это состав холодного отверждения с системой оксим, а материал TCER — вариант с системой этанол. TCER обладает тем преимуществом, что имеет очень низкую вязкость и более высокую теплопроводность по сравнению с TCOR, который, в свою очередь, обладает улучшенной прочностью склеивания.

Рис. 3. Материал холодного отверждения TCOR с системой оксим

Для выделяющих тепло схем определенного типа может оказаться эффективной заливка устройства в корпусе, отводящем тепло, с помощью теплопроводящего заливочного компаунда. Данный способ обеспечивает отвод тепла и защиту от воздействий окружающей среды, таких как высокая влажность или коррозионные условия. В ассортименте компании Electrolube есть двухкомпонентные материалы для заливки с использованием эпоксидной, полиуретановой и силиконовой технологий (рис. 4).

Рис. 4. Двухкомпонентный материал для заливки с использованием эпоксидной, полиуретановой и силиконовой технологий

Эпоксидная смола ER2220 обеспечивает высочайший уровень теплопроводности в сочетании с защитой от внешних воздействий за счет заливки. Эта эпоксидная смола с большим количеством наполнителя обладает очень высокой теплопроводностью (1,54 Вт/м·К), что значительно увеличивает ее вязкость (15 000 мПа·с). Смола ER2183 является вариантом состава ER2220 с меньшей вязкостью (5000 мПа·с). Снижение содержания наполнителя, необходимое для достижения такой вязкости, мало влияет на теплопроводность: вязкость смолы ER2183 ниже на 67%, при этом проявляется сокращение теплопроводности лишь на 28% (1,1 Вт/м·К). Материал UR5633 — полиуретановая заливочная смола, обладающая очень хорошей теплопроводностью 1,24 Вт/м·К. Идеальна для задач, где от материала требуется теплопроводность и определенный уровень эластичности. Материал SC2003 представляет собой силиконовую заливочную смолу, характеризующуюся хорошей теплопроводностью (0,08 Вт/м·К) в исключительно широком температурном диапазоне (–60…+200 °C). Это тиксотропный материал, что делает его отличным решением для задач, где смола не должна протекать в небольшие зазоры.

Теплопроводность, измеряемая в Вт/м·К, отражает способность материала проводить тепло. Значения объемной теплопроводности дают хорошее представление об уровне ожидаемого отвода тепла, позволяя проводить сравнения между различными материалами. В некоторых методиках измеряется только сумма теплового сопротивления материалов и контактного сопротивления между материалом и измерительным прибором. Компания Electrolube использует один из вариантов метода теплового потока, в котором измеряются оба этих параметра по отдельности, что обеспечивает намного более точные результаты объемной теплопроводности (рис. 5).

Рис. 5. Сравнительные значения теплопроводности теплопроводных материалов Electrolube

Материалы для обеспечения теплового режима используются в электрических устройствах и поэтому не должны оказывать отрицательного воздействия на его характеристики. Измерение электрических свойств таких материалов может помочь в обеспечении совместимости при применении. Например, диэлектрическая прочность — это максимальная напряженность электрического поля, которую в принципе способен выдержать материал без образования пробоя, то есть без потери своих электрических свойств. Иногда эту характеристику называют напряжением, выдерживаемым диэлектриком. В свою очередь, напряжение пробоя — минимальное напряжение, вызывающее у определенной части изолятора способность проводить электрический ток (рис. 6).

Рис. 6. Диэлектрическая прочность теплопроводных материалов Electrolube

Вязкость теплопроводящих паст влияет на параметры процесса нанесения, а также на рабочие характеристики применяемого материала. Например, линейка обычных материалов предназначена для применения в качестве промежуточных теплопроводящих материалов, и поэтому их следует наносить тонким слоем. Стабильность этих материалов позволяет избегать проблем, связанных с выдавливанием пасты (изменение вязкости при изменении температуры, заставляющее пасту постепенно вытекать из пространства между поверхностями), но только если они применяются в виде тонких слоев. Материалы для заполнения зазоров, в частности компаунды HTCPX, предназначены для обеспечения максимальной стабильности даже при большой толщине и воздействии вибрации. Это улучшение стабильности также означает, что вязкость материала очень высока. Вязкость отверждаемых материалов для обеспечения теплового режима, таких как составы холодного отверждения и заливочные материалы, имеет значение только для этапа нанесения, и ее необходимо учитывать при выборе подходящего оборудования для дозирования и методов нанесения. После нанесения материала на модуль/основание он отверждается до твердого состояния. На графике приведено сравнение вязкости различных материалов (рис. 7).

Рис. 7. Сравнение вязкости теплопроводных материалов Electrolube

За исключением материалов для заполнения зазоров, важно, чтобы промежуточные теплопроводящие материалы наносились как можно более тонким слоем, чтобы снизить влияние теплового сопротивления. Поэтому выбор способа нанесения теплопроводящих паст столь же важен, как и выбор самого материала. Теплопроводящие пасты можно наносить различными способами, как вручную, так и автоматически. Ручное нанесение может выполняться с помощью валика, ракеля или шпателя. Часто валик является наилучшим вариантом для обеспечения распределения материала ровным тонким слоем по всей поверхности. В методах автоматического нанесения используется специальное оборудование. Оно обычно имеет головку для нанесения, в которой материал подается на устройство с помощью дозатора. Из-за вязкости таких материалов дозатор обычно представляет собой механизм с выдавливающей пластиной, соединяемый с емкостью с теплопроводящей пастой, в которой она поставляется.

Составы холодного отверждения от компании Electrolube поставляются в готовых к использованию картриджах, их следует наносить при помощи пистолета TCR Gun. По вопросам, связанным с поставкой в крупной таре, следует обращаться в компанию Electrolube. Эти материалы часто используются для одновременного обеспечения теплопередачи и крепления, вот почему их необходимо наносить тонким слоем и проводить испытания, чтобы убедиться, что полученная прочность соединения достаточна для конкретного применения. Поскольку данные материалы отверждаются за счет взаимодействия с влагой, в процессе нанесения и сушки нужно обращать внимание на влажность окружающей среды — 50% при комнатной температуре. Крайние состояния (очень сухой или очень влажный воздух) сдерживают отверждение, и повышенные температуры не ускоряют процесс, если при этом влажность тоже не будет увеличена.

Заливочные компаунды — двухкомпонентные системы, которые можно наносить вручную или автоматически с помощью автоматизированного оборудования. Во всех случаях при выполнении процедуры смешивания следует избегать захвата воздуха. Захват воздуха или влаги может повлиять на процесс отверждения этих материалов, а также привести к образованию воздушных пузырьков в отвержденном материале, что значительно снижает теплопроводность. Компания Electrolube поставляет заливочные компаунды в специальной упаковке — это пакет, разделенный застежкой, которая отделяет друг от друга компоненты A и B до момента смешивания. Упаковка ориентирована на безвоздушное смешивание и рекомендуется для любого нанесения заливочного компаунда, выполняемого вручную. При поставке в алюминиевой оболочке не следует оболочку удалять вплоть до момента использования материала. Также доступны установки для смешивания, выполненные в двух вариантах — настольном и в виде оборудования.

Итоговое сравнение материалов для обеспечения теплового режима приведено в таблице.

*Для отверждения требуется относительная влажность воздуха 50% при комнатной температуре.

В целом следует помнить, что правильно подобранные технологические материалы — гарантия долговечной и корректной работы изделия.