С учетом приведенного краткого перечня достоинств и недостатков применяемых сегодня теплопроводных материалов можно определить основные предъявляемые к ним требования. Так, современные материалы, предназначенные для отвода тепла электронных компонентов, должны: иметь хорошую теплопроводность; иметь высокое пробивное напряжение; быть эластичными; легко обрабатываться и резаться; иметь клеевой слой с одной или двух сторон по желанию заказчика; быть экологически чистыми и не выделять вредные вещества при нагреве; иметь доступную цену.
Теплопроводящие подложки и пасты
Керамико-полимерные материалы на стеклотканевой или полиимидной основах применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже.
Отличительные особенности:
- не требуют нанесения промежуточных слоев теплопроводящей пасты, что обеспечивает сокращение времени и чистоту сборки;
- интенсивный теплоотвод через изоляционную подложку гарантируется применением керамического наполнителя с высокой теплопроводностью;
- высокая эластичность обеспечивает надежный контакт поверхностей в соединении полупроводник-изолятор-радиатор;
- экологически чист;
- снижает стоимость монтажа за счет уменьшения трудоемкости и замены композиции слюда-паста.
Эластичные теплопроводящие изоляторы. Такие изоляторы предназначены для электрической изоляции и отвода тепла от тепловыделяющих элементов электронных устройств, а также нагревающихся при работе конструкций и узлов. Изготавливаются из теплопроводящей керамики на кремний-органической связке. Поставляются в виде листов и двухкомпонентного компаунда.
Применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже. Используются вместо слюды и теплопроводящей пасты КПТ-8."Номакон GS" - эластичный керамико-полимерный материал, армированный стеклотканью. Благодаря армирующему слою материал имеет отличные прочностные характеристики на разрыв и раздир. Наполнитель из высокотеплопроводящего керамического порошка обеспечивает теплопроводность на уровне лучших зарубежных аналогов. Термостойкая силиконовая связка придает материалу эластичность мягкой резины, что способствует заполнению шероховатостей микрорельефа сопрягаемых поверхностей, снижая тепловое сопротивление между ними. Диапазон толщины материала "Номакон GS", в отличие от других аналогов, варьируется по требованию заказчика в пределах от 0,15 до 2 мм и более. Стандартная толщина 0,22±0,05 мм. Существуют различные теплопроводящие интерфейсные материалы, обладающие разным термосопротивлением и свойствами.
Термопасты (thermal greases). Синтетические смолы (силикон, например) смешиваются с определенным количеством теплопроводящего порошка (обычно соотношение 40% и 60% соответственно). Образуется вязкая паста беловатого или серого цвета. Беловатый цвет свидетельствует о применении оксида цинка в качестве теплопроводящего вещества, серый - оксида алюминия. В экзотических случаях может быть и оксид серебра. Термопасты не затвердевают и могут быть легко убраны с поверхности радиатора или процессора. Хотя они не и являются электрическими изоляторами, протекание в них сколько-нибудь существенных токов маловероятно. Минусы термопаст - слабые клейкие свойства (в некоторых случаях может потребоваться дополнительное закрепление радиатора - эпоксидной смолой, например), возможно смешивание с нежелательными компонентами (может привести к частичной или даже существенной потере теплопроводящих свойств).
Термические смеси (thermal compounds). В общем случае представляют собой смесь эпоксидной смолы, теплопроводящей присадки и загустителя. При применении смесь переходит в резиноподобное состояние, крепко закрепляя радиатор. Однако, процесс удаления этого материала тоже достаточно прост. Тепловые характеристики термической смеси являются наилучшими. Но работать с ними достаточно сложно, так как часто приходится самостоятельно приготавливать смесь, поскольку производители поставляют именно компоненты, а не готовую смесь. Кроме этого невозможно вторичное применение бывшей в употреблении смеси.
Теплопроводящие прокладки (thermally conductive elastomers). Резинопо- добные пластины, содержащие теплопроводящие присадки. Может быть добавлено стекловолокно для увеличения прочности. Являются электрическими изоляторами, поэтому смело могут быть использованы для соединения поверхностей разных потенциалов. Обладая наибольшим коэффициентом теплопроводности, эти эластомеры, однако, не являются эффективным тепловым интерфейсом, так как не полностью заполняют нерегулярности поверхностей. Только при обеспечении сильного сжатия поверхностей они могут составить конкуренцию термопастам.
Теплопроводящие клейкие пленки (thermally conductive adhesive tapes). Двусторонние клейкие пленки, содержащие теплопроводящий наполнитель. Алюминиевая фольга может служить укрепляющим каркасом. Быстрота и удобство работы с этим материалом не могут компенсировать слабую эффективность теплопередачи. Многие пользователи рекомендуют воздерживаться от применения таких пленок, поскольку в исключительных случаях даже просто отсутствие теплового интерфейса может оказаться более эффективным. Все это касается существующих пленок. Однако, разработчики не топчутся на месте, и вполне возможно появление эффективных вариантов этого теплового интерфейса.
Материалы, меняющие агрегатные состояния (phase change materials).
Такие материалы при комнатной температуре представляют собой твердые микрочастицы. При достижении определенной температуры (обычно 45-60 °C) микрочастицы плавятся - происходит фазовый переход. При этом материал становится близок к термопастам по своим теплопроводящим свойствам. Более того, такие материалы могут обладать существенно меньшим термосопротивлением, меньшей текучестью и лучшими эксплуатационными свойствами. Благодаря этому данные материалы все чаще и чаще применяются в качестве тепловых интерфейсов.
Миниатюрные охлаждающие агрегаты
Рис. 1.3. Типовые конструкции охлаждающих агрегатов серии «LAM»
Для рассеивания большого количества тепла в маленьком объеме, использование охлаждающих агрегатов с принудительным воздушным охлаждением дает большие преимущества по сравнению с радиаторами с естественным охлаждением.
На охлаждающие агрегаты маленького объема, компания Fischer Elektronik разработала малогабаритные охлаждающие агрегаты с поперечным сечением 30x30 или 40x40 мм. Эти охлаждающие агрегаты серии LAM удобны для установки в корпусах и печатной плате. Компактный дизайн с внутренней системой теплообмена способствуют однородной теплоотдаче. Мощный осевой вентилятор с напряжением питания 12-24 В отличается высокой пропускной способностью при высоком давлении, благодаря этому дистанция охлаждения увеличивается.
Используя охлаждающие агрегаты, можно очень эффективно отводить тепло от электронных компонентов, т.к. сильный поток воздуха гарантирует намного большее рассеивание тепла, чем естественное охлаждение.
Дизайн и схема охлаждающих агрегатов оптимальна для различных приложений требующих отвода тепла:
- многомодульные охлаждающие устройства для силовых полупроводниковых модулей,
- миниатюрные охлаждающие агрегаты для непосредственного монтажа на печатную плату,
- охлаждающие устройства высокой мощности с полыми рёбрами или с ламинарной структурой для тиристорных модулей, твёрдотельных реле, IGBT, AC-ключей, выпрямительных мостов и т.д.
Радиаторы
В зависимости от конструкции устройства в качестве теплостока может быть использован специальный радиатор, шасси или корпус устройства. Во всех случаях необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от базовой поверхности модуля в окружающую среду, оптимальный тепловой контакт с охлаждающей поверхностью и высокую теплоемкость радиатора для исключения локального перегрева при кратковременных перегрузках.
Из материалов, применяемых для изготовления радиаторов, наиболее высокими значениями теплоемкости на единицу объема обладают сталь, медь, латунь, алюминий. По теплоемкости на единицу веса лучшие характеристики имеют никель и алюминий.
Самую высокую теплопроводность из доступных материалов обеспечивают медь, алюминий и латунь. Если не думать о весе радиатора, то наибольшая теплоемкость у никеля, однако на практике алюминиевые радиаторы предпочтительнее с точки зрения соотношения эффективности теплоотдачи на единицу объема.
На рынке сейчас имеются алюминиевые теплоотводы различных форм и размеров. Как правило, производители радиаторов определяют тепловое сопротивление радиатора как функцию геометрических размеров и рассеиваемой мощности.
Легко монтируемые (slip-on) радиаторы изготавливаются из прессованного алюминиевого профиля. Они предназначены для электронных компонентов в корпусах типа TO220, TO247 и аналогичных им. Эти радиаторы монтируются на транзисторы или вместе сними на плату.
Ширина этих компактных радиаторов не превышает ширины компонента. Радиатор может использоваться как единичный, так и входить в состав группы радиаторов. Допускается вертикальная и горизонтальная установка. Передача тепла от транзистора радиатору осуществляется благодаря металлической прижимной скобе.
Радиаторы игольчатого типа
Радиаторы игольчатого типа серии “ICKS” компании Fischer Elektronik - перспективное направление в области изготовления радиаторов. Компактные радиаторы этой серии имеют большое количество игольчатых выводов, что позволяет обеспечить оптимальное рассеянье тепла проходящим воздухом. Использованный при изготовлении материал с повышенной теплопроводностью AL99.5, геометрия, рассчитанная с учетом направления теплового потока, и структура радиаторов этого типа делает их идеальным решением для совместного использования с силовыми электронными компонентами c целью постоянного, качественного рассеянья тепла, особенно при дополнительном воздействии направленного воздушного потока.
Несмотря на небольшой вес, радиаторы данной серии обладают гораздо лучшими характеристиками в сравнении с игольчатыми радиаторами такого же размера выполненными из прессованного профиля, а в особенности штампованного алюминия.
Крепление радиаторов этой серии к определенным компонентам осуществляется с помощью термического клея, термической фольги или специальных зажимов.
Теплопроводящие трубки
Теплопроводящая трубка представляет собой полую медную трубку, которая в вакуумной среде заполняется жидкостью и запаивается с обеих сторон. Эта жидкость переносит тепло от одного края трубки к другому с более высокой скоростью, чем если бы тепло распространялось через медь, материал, имеющий и очень высокую теплопроводность. Чаще всего в качестве рабочего тела, то есть, жидкости, заполняющей трубку, применяются спирты, ацетон или аммиак.
При нагревании жидкость, находящаяся внутри трубки, испаряется, и её пары перемещается в более холодную часть трубки, где они отдают тепло в окружающую среду (или радиатору) и конденсируются. Сконденсированная жидкость стекает обратно, в горячую часть теплопроводящей трубки, и цикл повторяется заново. Термическое сопротивление трубки очень низкое - от 0.002 до 0.01 C/W на один миллиметр длины, и оно обратно пропорционально переносимой через трубку тепловой мощности. То есть, чем больше рассеиваемая источником тепла мощность, тем меньше термическое сопротивление трубки, и тем эффективнее она будет работать. Внутри теплопроводящая трубка, обычно, имеет пористую структуру, за счёт чего жидкость по ней может двигаться в любом направлении - горизонтальном и вертикальном. В последнее время теплоотводящие трубки используются в кулерах для ноутбуков, в кулерах для видеокарт и центральных процессоров.
Теплоотводящие трубки выгодно использовать в тех случаях, когда надо эффективно перенести тепло на расстояние. Например, распределить между двумя радиаторами одного кулера или же равномерно распределить по поверхности одного радиатора.
Основная задача тепловой трубки - максимально быстро передать тепло с одного конца на другое. Как правило, тепловая трубка изготавливается из меди; внутри нее легкокипящая жидкость. Внутри трубки (в той части, которая наиболее приближена к источнику тепла) жидкость испаряется, поглощая тепло. А на другом конце трубки жидкость конденсируется, при условии если к трубке подсоединен какой-либо радиатор (рис.1.4). Иными словами, "тепловая трубка" предназначена исключительно для передачи тепла, но сама по себе охладить процессор (или другой источник тепла) не в состоянии.
Рис.1.4. Тепловая трубка с радиатором
Конструкция радиатора: на полностью медном основании установлено более двух десятков медных ребер. А для более быстрой теплопередачи в основание радиатора встроено три "тепловых" трубки.
При этом, каждое ребро соприкасается с трубкой довольно обширной площадью. Для этого отверстия в ребрах имеют специальные "лепестки", которые плотно охватывают трубку. Кроме того, между "трубкой" и "лепестком" есть небольшой слой термоинтерфейса, что также способствует теплопередаче.