Materiały termoprzewodzące

Materiały termoprzewodzące
Pobierz PDF Download icon
Współczesne urządzenia elektroniczne mogą zawierać wiele elementów półprzewodnikowych wydzielających duże ilości ciepła, takich jak: mikroprocesory, pamięci, półprzewodnikowe elementy mocy, diody, itp. Skuteczne odprowadzenie ciepła z tych elementów jest niezwykle istotne z punktu widzenia niezawodności i czasu eksploatacji urządzenia.
    Proces odprowadzania ciepła można podzielić na trzy główne fazy:
  1. Przewodzenie ciepła w obrębie obudowy elementu półprzewodnikowego.
  2. Przewodzenie ciepła od obudowy elementu półprzewodnikowego do elementu rozpraszającego ciepło (radiator).
  3. Odprowadzanie ciepła od elementu rozpraszającego ciepło (radiatora) do otaczającego środowiska (ostateczny odbiornik ciepła).

Odprowadzenie ciepła w fazach 1 do 2 odbywa się głównie na drodze przewodnictwa cieplnego, natomiast w ostatniej 3 fazie na drodze konwekcji i/lub promieniowania.

Rysunek 1. Różnica pomiędzy a) typowym i b) nowym odprowadzaniem ciepła z komponentu

Pierwsza faza jest na ogół poza kontrolą projektanta odpowiedzialnego za procesy termiczne, ponieważ wewnętrzny proces przewodzenia ciepła determinuje typ obudowy. Celem projektanta w drugiej i trzeciej fazie jest zaprojektowanie skutecznego połączenia termicznego pomiędzy obudową elementu półprzewodnikowego a otaczającym środowiskiem. Osiągnięcie tego celu wymaga poznania fundamentalnych praw opisujących przepływ ciepła, jak również wiedzy o dostępnych materiałach złączowych i ich właściwościach fizycznych mających wpływ na proces wymiany ciepła. Podstawowe właściwości materiałów termoprzewodzących możemy sklasyfikować następująco:

Właściwości termiczne. Podstawowymi właściwościami termicznymi są impedancja termiczna wyrażona w °C-cm²/W i przewodność termiczna (cieplna) wyrażona w W/m×K. Impedancja termiczna jest zmierzoną sumą wszystkich rezystancji termicznych na drodze przepływu ciepła od gorącej powierzchni poprzez materiał złącza do zimnej powierzchni. Na impedancję termiczną ma wpływ wiele czynników, takich jak np. plastyczność czy sprężystość materiałów. Przewodność termiczna jest cechą materiałową (analogicznie jak w elektrotechnice rezystywność miedzi). Innymi słowy materiał o bardzo dobrej przewodności termicznej może w praktyce nie zapewnić najniższej impedancji termicznej. Analogicznie jak w elektrotechnice – instalacja elektryczna wykonana z miedzi o małej rezystywności jest na tyle skuteczna w praktycznym zastosowaniu, o ile rezystancja złącz i połączeń jest również niska na całej drodze przepływu prądu.

Właściwości elektryczne. Najważniejsze parametry elektryczne materiałów termoprzewodzących to:

Napięcie przebicia określające wielkość różnicy napięć, którą jest w stanie wytrzymać materiał w ściśle określonych warunkach pomiarowych. Parametr ten jest najczęściej mierzony według metody ASTM D149.

Rezystancja skrośna, która jest wynikiem pomiaru rezystancji elektrycznej jednostki objętości materiału; parametr ten jest najczęściej mierzony według metody ASTM D257.

Właściwości mechaniczne. Właściwości mechaniczne materiałów termoprzewodzących mają istotny wpływ na właściwości termiczne. Łatwość dopasowania się materiału termoprzewodzącego między dwie powierzchnie oraz stabilność takiego dopasowania w czasie okazuje się kluczowe z punktu widzenia skutecznego odprowadzenia ciepła. Materiały termoprzewodzące do wypełnienia szczelin powietrznych o wielkościach kilku mm najczęściej mają formę plastelinowych arkuszy lub ciastowatej substancji wyciskanej z tuby. Jest to zazwyczaj wystarczające, aby elementy elektroniki łatwo wtopiły się w materiał i skutecznie odprowadziły ciepło.

Fotografia 2. Materiał Therm-A-Gap odprowadzający ciepło z układu scalonego bezpośrednio na obudowę pełniącą rolę radiatora

Astat proponuje najbardziej zaawansowane materiały termoprzewodzące firmy Parker-Chomerics, których odpowiednie zastosowanie gwarantuje znaczne obniżenie temperatury pracy elementów. Termoprzewodzące wypełniacze szczelin są rodziną miękkich elastomerów silikonowych domieszkowanych specjalnym wypełniaczem pełniącym funkcje termoprzewodzące, dzięki czemu uzyskujemy bardzo innowacyjne właściwości. W klasycznym bezrozwiązaniu na gorący element półprzewodnikowy montowany jest radiator. Radiator wypromieniowuje ciepło do wnętrza obudowy, zatem konieczne jest wykonanie odpowiednich otworów wentylacyjnych w obudowie, często z wentylatorem. Droga, na której ciepło jest odprowadzane na zewnątrz jest zatem stosunkowo długa i skomplikowana.

Fotografia 3. Przykładowe zastosowanie materiałów THERM-A-GAP

Dzięki innowacyjnym właściwościom termoprzewodzących wypełniaczy szczelin możemy znacznie skrócić i usprawnić drogę na której ciepło jest odprowadzane na zewnątrz. Wystarczy na gorący element nałożyć odpowiedni materiał, tak aby wypełnił całkowicie szczelinę powietrzną i stykał się bezpośrednio z obudową. W ten sposób odprowadzamy ciepło bezpośrednio na całą powierzchnię obudowy. Przy okazji możemy uzyskać dużo większą miniaturyzację urządzenia, uprościć mechanikę (przykładowo brak radiatora i otworów wentylacyjnych), co daje nam bardzo wymierne korzyści ekonomiczne. Rysunek 1 przedstawia różnice między typowym, a innowacyjnym podejściem do odprowadzenia ciepła.

Przykładem może być rodzina materiałów THERM-A-GAP służąca do wypełniania szczelin powietrznych pomiędzy gorącym elementem a radiatorem lub metalową obudową. Ich plastyczna natura pozwala przykryć bardzo nierówne powierzchnie (fotografia 2).

Innym rozwiązaniem może być żel termoprzewodzący THERM-A-GAP, który z łatwością dopasowuje swój kształt do każdej szczeliny (fotografia 3). Mieszanka jest już w pełni usieciowana, jednoskładnikowa, przez co produkt jest gotowy do bezpośredniego użycia bez potrzeby mieszania składników. Ten ultra lekki materiał znacznie obniża nacisk mechaniczny na delikatnych elementach układu nawet w porównaniu z najlżejszymi arkuszami termoprzewodzącymi.

Dariusz Bąk
Product Manager w firmie ASTAT

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
maj 2014
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów