Cum să optimizați managementul termic cu ajutorul disipatoarelor termice și a materialelor de umplere a golurilor

Un bun management termic este important pentru a asigura performanța și fiabilitatea dispozitivelor electronice. Este simplu din punct de vedere conceptual, începând cu transferul căldurii nedorite de la sursă și dispersând-o pe o suprafață mai mare pentru o disipare și răcire eficientă. Dar, în multe cazuri, implementarea poate fi dificilă.

Suprafețele dispozitivelor generatoare de căldură nu sunt, de obicei, suficient de netede pentru a avea impedanța termică scăzută necesară pentru a asigura un bun transfer de căldură. În cazul anumitor dispozitive, suprafețele nu sunt plane, ceea ce sporește provocările legate de managementul termic. De asemenea, componentele care trebuie răcite se pot afla adânc în interiorul sistemului, ceea ce complică și mai mult extragerea căldurii potențial dăunătoare.

Pastele și unsorile termice pot fi utilizate pentru a îmbunătăți conductivitatea termică, dar obținerea acoperirii necesare pentru a asigura un transfer termic bun și evitarea aplicării excesive, care poate cauza contaminarea traseelor de pe placa de circuite și poate duce la scurtcircuite, poate fi dificilă. În plus, pastele și unsorile termice nu pot disipa căldura pe laterală, departe de sursă.

În schimb, proiectanții pot utiliza o varietate de materiale de interfață termică (TIM), inclusiv materiale de umplere a golurilor și de disipare a căldurii, pentru a asigura impedanțele termice constant scăzute necesare pentru un transfer de căldură eficient, eliminând în același timp orice preocupări legate de contaminare. Pentru a îndeplini cerințele specifice ale sistemului, TIM-urile pot fi structurate pentru a transfera căldura pe verticală sau pentru a răspândi căldura pe laterală. TIM-urile sunt disponibile într-o varietate de grosimi, pentru a respecta cerințele unor aplicații specifice, sunt stabile din punct de vedere mecanic la temperaturi de funcționare ridicate, pentru o bună fiabilitate, pot asigura o izolare electrică ridicată și sunt ușor de aplicat.

Acest articol trece în revistă managementul termic și oferă îndrumări generale pentru selectarea TIM-urilor. Apoi, prezintă mai multe opțiuni TIM de la Würth Elektronik și examinează aplicațiile și considerentele de proiectare pentru fiecare dintre ele.

Ce sunt TIM-urile?

TIM-urile sunt plasate între o sursă de căldură și un ansamblu de răcire pentru a îmbunătăți cuplarea termică și fluxul de căldură. Doi factori sporesc eficiența cuplării termice. În primul rând, capacitatea TIM de a se adapta la neregularitățile microscopice ale suprafeței, eliminând toate golurile de aer izolatoare care reduc conductivitatea termică a interfeței (Figura 1). În al doilea rând, TIM-urile au conductivitatea termică necesară pentru a transfera eficient căldura de la sursă la ansamblul de răcire. Conductivitatea termică, K, este cuantificată în wați pe metru pe grad Kelvin (W/mK). Aceasta se măsoară folosind ASTM D5470, „Metoda standard de testare a proprietăților de transmisie termică a materialelor de izolație electrică conductoare de căldură”.

Figura 1: un TIM (albastru) este utilizat pentru a umple neregularitățile microscopice care există pe suprafețele componentelor și ale ansamblurilor de răcire pentru a îmbunătăți cuplarea termică. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Pe lângă conductivitatea termică, există mai multe aspecte care trebuie luate în considerare la selectarea unui TIM:

• Intervalul de temperatură de funcționare este important, deoarece diferite TIM-uri sunt specificate pentru diferite intervale de temperatură.
• Distanța dintre suprafețele de cuplare și dacă TIM trebuie să fie comprimat pentru a asigura un transfer termic optim.
• Capacitatea de rezistență la presiunea de comprimare a TIM.
• Unele TIM-uri sunt disponibile cu adezivi aplicați pe suprafețele lor, ceea ce permite fixarea mecanică.
• Proprietatea de izolare electrică a TIM, deoarece unele materiale pot fi utilizate pentru a asigura izolarea electrică.
• Unele TIM-uri sunt disponibile ca piese standard, fără o cantitate minimă de comandă și fără costuri pentru instrumente, în timp ce altele sunt disponibile în forme personalizate care pot fi optimizate pentru cerințele specifice ale aplicațiilor.

Opțiuni de materiale pentru umplerea golurilor

Materialul de umplere a golurilor cu silicon WE-TGF este un material de uz general conceput pentru a fi utilizat în aplicații de joasă presiune care beneficiază de izolare electrică, în care TIM este comprimat între 10% și 30% din grosimea sa. Depășirea nivelului de comprimare recomandat poate duce la expulzarea uleiului de silicon, reducând durata de viață preconizată a materialului și, posibil, la contaminarea plăcii cu circuite imprimate (PCB). Aceste TIM-uri sunt concepute pentru a fi utilizate între două suprafețe sigure din punct de vedere mecanic, deoarece nu au niciun alt adeziv în afară de adezivitatea lor naturală. Sunt disponibile grosimi cuprinse între 0,5 și 18 milimetri (mm), cu conductivități termice între 1 și 3 W/mK. Grosimile de la 0,5 până la 3 mm susțin niveluri mai ridicate de conductivitate termică (Figura 2).

Figura 2: materialele termice de umplere a golurilor de la Würth sunt disponibile pentru a îndeplini cerințele unei mari varietăți de aplicații. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

De exemplu, numărul de piesă 40001020 este o plăcuță de 400 x 200 mm, cu o grosime de 2 mm, cu un K de 1 W/mK și o rezistență dielectrică sau un indice de străpungere electrică (E_BR) de 8 kV/mm. Caracteristicile moi și izolatoare din punct de vedere electric ale materialelor de umplere a golurilor WE-TGF le fac potrivite pentru utilizarea între una sau mai multe componente electronice și un ansamblu de răcire (Figura 3).

Figura 3: o plăcuță de umplere a spațiului din elastomer siliconic este concepută pentru a umple un spațiu între una sau mai multe componente electronice și un ansamblu de răcire, cum ar fi un radiator, o placă de răcire sau o carcasă metalică. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Pentru aplicațiile de management termic care necesită izolare electrică și un profil mai subțire, proiectanții pot utiliza plăcuța izolatoare termoconductoare din silicon WE-TINS cu K de la 1,6 la 3,5 W/mK și o grosime de 0,23 mm. Numărul de piesă 404035025 are un K de 3,5 W/mK și un E_BR de 6 kV/mm. La fel ca toate piesele din seria WE-TINS, 404035025 combină cauciucul de silicon termoconductor și o plasă din fibră de sticlă. Plasa adaugă rezistență mecanică și este rezistentă la perforare și forfecare. Ca urmare a proprietăților mecanice ale structurii, aceste TIM-uri pot fi comprimate după cum se dorește și au o rezistență ridicată de rupere la tracțiune.

Materialele termice cu schimbare de fază și benzile de transfer termic sunt încă mai subțiri, cu profile de numai 0,02 mm. De exemplu, TIM-urile din seria WE-PCM cu schimbare de fază se transformă din solid în lichid la o anumită temperatură, asigurând o îmbibare completă a interfeței fără scurgeri sau revărsări. Acestea sunt concepute pentru a fi utilizate cu circuite integrate de înaltă performanță sau componente de energie și ansambluri de răcire. De exemplu, numărul de piesă 402150101020 măsoară 100 mm pătrați, are adeziv pe ambele părți, un K de 5 W/mK, un E_BR de 3 kV/mm și o temperatură de schimbare a fazei de 55 grade Celsius (°C).

Banda de transfer termic WE-TTT este o bandă cu două fețe care permite fixarea mecanică a ambelor suprafețe de contact. Are un K de 1 W/mK și un E_BR de 4 kV/mm și este proiectată pentru aplicații de joasă presiune. Este disponibilă în lățimi de 8 mm (numărul de piesă 403012008) și 50 mm (numărul de piesă 403012050) pe role de 25 de metri (m).

Soluții de disipare a căldurii din grafit

TIM-urile pe bază de grafit sintetic oferă cele mai ridicate niveluri de conductivitate termică (Figura 4). Numărul de piesă 4051210297017 din familia WE-TGS este un disipator de căldură din grafit sintetic care măsoară 297 x 210 mm, cu un K de 1800 W/mK, care nu asigură izolare electrică. Combinația de conductivitate termică ridicată, greutate redusă și grosime redusă (0,03 mm) face ca aceste foi de grafit să fie utile într-o gamă largă de aplicații, de la module semiconductoare de mare putere la dispozitive portabile.

Figura 4: disipatoarele de căldură din grafit oferă conductivități termice ridicate în mai multe dimensiuni și au grosimi de numai 0,03 mm. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Seria WE-TGFG combină foile de grafit cu plăcuțele de spumă pentru a produce soluții unice de management termic cu un K de 400 W/mK și un E_BR de 1 kV/mm. Garniturile lungi pot fi fabricate pentru a funcționa ca disipatoare de căldură, transferând căldura pe laterală, de la sursă la un ansamblu de răcire situat într-o altă parte a sistemului (Figura 5). De exemplu, piesa 407150045015 măsoară 45 mm lungime, 15 mm lățime și 1,5 mm grosime și poate fi utilizată în aplicații care beneficiază de umplerea golurilor și de transferul căldurii pe laterală.

Figura 5: un TIM plasat deasupra unei componente fierbinți poate acționa ca un disipator de căldură, transferând căldura în lateral, departe de componentă. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Obținerea unor conductivități termice mai mari cu plăcuțe de silicon, cum ar fi materialele de umplere a golurilor WE-TGF, necesită ca plăcuța să fie mai subțire. Proiectanții pot apela la TIM-urile WE-TGFG pentru a umple spații de până la 25 mm cu o conductivitate termică mult mai mare decât cea posibilă cu plăcuțele de silicon, iar piesele WE-TGFG pot fi realizate în geometrii personalizate pentru a se potrivi în spații care nu sunt plane (Figura 6).

Figura 6: o garnitură din spumă de grafit (centru) poate fi fabricată cu diferite geometrii și poate fi utilizată ca interfață între o sursă de căldură (jos) și un element de disipare a căldurii neplanar (sus). (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Combinarea TIM-urilor pentru performanță îmbunătățită

TIM-urile pot fi combinate pentru a oferi niveluri mai ridicate de performanță. De exemplu, un disipator de căldură din grafit WE-TGS poate fi combinat cu un material de umplere a golurilor din silicon WE-TGF pentru a permite utilizarea unui radiator cu o amprentă mai mare decât sursa de căldură, sporind capacitatea de răcire generală a ansamblului (Figura 7).

Figura 7: combinarea unui disipator de căldură din grafit WE-TGS (TIM 1) cu un material de umplere a golurilor de silicon WE-TGF (TIM 2) poate permite utilizarea unui radiator care depășește amprenta la sol a componentei fierbinți, oferind o răcire îmbunătățită. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Îndrumări generale privind aplicațiile

Indiferent de TIM-ul sau TIM-urile utilizate, există câteva îndrumări generale de aplicare pe care proiectanții trebuie să le ia în considerare:

• Suprafețele componentei și ale ansamblului de răcire trebuie să fie curate și uscate. Pentru a îndepărta orice contaminare a suprafeței, trebuie utilizat un tampon sau o lavetă care nu lasă scame, cu alcool izopropilic.
• Atunci când se utilizează TIM-uri care necesită comprimare, materialul trebuie comprimat cu o presiune uniformă pe întreaga suprafață. Materialul se poate deteriora dacă presiunea aplicată depășește valoarea nominală specificată.
• Toate bulele de aer și/sau golurile de la suprafață trebuie eliminate pentru a obține cea mai bună conductivitate termică.
• Este necesar ca temperatura de funcționare a TIM-urilor să se poată adapta la combinația dintre temperatura mediului ambiant și creșterea temperaturii componentei care este răcită.

Concluzie

Managementul termic reprezintă o problemă pentru o gamă largă de proiecte de sisteme electronice. După cum s-a arătat, proiectanții pot apela la o gamă largă de TIM-uri realizate cu o varietate de materiale, inclusiv silicon, materiale cu schimbare de fază, grafit și tampoane de spumă. Utilizarea TIM-urilor poate asigura impedanțele termice constant scăzute necesare pentru un transfer de căldură eficient, eliminând în același timp orice probleme de contaminare care pot apărea atunci când se utilizează paste sau unsori termice.

În timp ce pastele și unsorile transferă căldura doar pe verticală, proiectanții pot alege între TIM-uri de umplere a golurilor care conduc căldura pe verticală sau disipatoare de căldură care pot conduce căldura pe laterală. În cele din urmă, multe TIM-uri sunt disponibile fără o cantitate minimă pentru comandă sau costuri legate de instrumente, ceea ce le face o alegere economică pentru proiectele de management termic.

Lectură recomandată

1. O introducere în managementul termic
2. Cum să vă răcoriți: elementele de bază privind selectarea radiatoarelor de căldură și aplicații