Slik optimaliserer du varmestyring med varmespredere og fyllmasser

God varmestyring er viktig når det gjelder å sikre ytelsen og påliteligheten til elektroniske enheter. Det er begrepsmessig enkelt, og begynner med overføringen av uønsket varme bort fra kilden, og sprer den over et større område for å gi effektiv avledning og avkjøling. I mange tilfeller kan imidlertid implementeringen være utfordrende.

Overflatene til varmegenererende enheter er vanligvis ikke jevne nok til å ha den lave termiske impedansen som trengs for å sikre god varmeoverføring. For noen enheter er ikke overflatene flate (planare), noe som øker utfordringen for varmestyringen. Komponentene som må avkjøles kan også befinne seg dypt inne i systemet, noe som ytterligere kompliserer fjerningen av potensielt skadelig varme.

Termisk pasta og fett kan brukes til å forbedre termisk konduktivitet, men å oppnå den nødvendige dekningen som skal til for å sikre god termisk overføring samt å unngå overdreven påføring som kan forårsake forurensning av kretskortspor og resultere i kortslutninger, kan være vanskelig. I tillegg kan ikke termisk pasta og fett avlede varme sideveis bort fra kilden.

I stedet kan konstruktører bruke en rekke termiske kontaktflatematerialer (TIM – thermal interface material), deriblant fyllmasser og varmespredere, til å levere de konsekvent lave termiske impedansene som er nødvendige for å gi effektiv varmeoverføring, i tillegg til at eventuelle forurensningsproblemer elimineres. For å imøtekomme spesifikke systembehov, kan TIM-er struktureres slik at de overfører varme vertikalt eller avleder varme sideveis. TIM-er er tilgjengelige i en rekke tykkelser for å oppfylle kravene til bestemte bruksområder, de er mekanisk stabile ved høye driftstemperaturer for å gi god pålitelighet, de kan gi høy elektrisk isolasjon og de er enkle å påføre.

Denne artikkelen gjennomgår varmestyring og gir generelle retningslinjer for valg av TIM. Deretter presenterer den flere TIM-alternativer fra Würth Elektronik og ser nærmere på konstruksjons- og designhensynene for hver av disse.

Hva er TIM-er?

TIM-er plasseres mellom en varmekilde og en kjølemodul for å forbedre termisk forbindelse og varmestrøm. To faktorer øker effektiviteten til den termiske forbindelsen. Først har vi evnen til TIM-en, som innebærer å tilpasse seg mikroskopiske uregelmessigheter på overflaten, noe som eliminerer alle lommer med isolerende luft som reduserer den termiske konduktiviteten til kontaktflaten (figur 1). For det andre har TIM-er den termiske konduktiviteten som kreves for å effektivt overføre varme fra kilden til kjølemodulen. Varmekonduktiviteten, K, kvantifiseres som watt per meter per Kelvin-grad (W/mK). Den måles ved å bruke ASTM D5470, «Standard testmetode for termiske transmisjonsegenskaper for termisk ledende elektriske isolasjonsmaterialer».

Figur 1: En TIM (blå) brukes til å fylle ut de mikroskopiske uregelmessighetene som finnes i overflatene på komponenter og kjølemoduler for å forbedre termisk forbindelse. (Bildekilde: Würth Elektronik)

I tillegg til varmekonduktivitet, er det flere hensyn som må tas når en TIM skal velges:

• Driftstemperaturområdet er viktig siden ulike TIM-er er spesifisert for ulike temperaturområder.
• Avstanden mellom kontaktflatene og om TIM-en må komprimeres for å levere optimal termisk overføring.
• TIM-ens motstandsdyktighet mot kompresjonstrykk.
• Noen TIM-er kommer med lim påført på overflatene for å muliggjøre mekanisk festing.
• Den elektriske isolasjonsegenskapen til TIM-en siden noen materialer kan brukes til å gi elektrisk isolasjon.
• Noen TIM-er er tilgjengelige som standarddeler uten noe minimum ordreantall og uten verktøykostnader, mens andre er tilgjengelige i spesialtilpassede former som kan optimaliseres for spesifikke konstruksjonskrav.

Valg av fyllmasser

WE-TGF-silikonfyllmassen er et materiale for generell bruk som er utviklet til å brukes i konstruksjoner med lavt trykk og som drar nytte av elektrisk isolasjon, der TIM-en komprimeres mellom 10 % og 30 % av tykkelsen sin. Overskridelse av det anbefalte kompresjonsnivået kan føre til silikonoljeutdriving, reduksjon av den forventede levetiden til materialet og muligens kontaminere det trykte kretskortet. Disse TIM-ene er konstruert for bruk mellom to mekanisk sikre overflater, da de ikke har noe ekstra lim utover deres naturlige klebrighet. Tykkelser fra 0,5 til 18 millimeter (mm) er tilgjengelige med varmekonduktiviteter på mellom 1 og 3 W/mK. Tykkelser fra 0,5 til 3 mm støtter høyere nivåer av termisk konduktivitet (figur 2).

Figur 2: Termiske fyllmasser fra Würth er tilgjengelige for et bredt spekter av bruksområder. (Bildekilde: Würth Elektronik)

For eksempel er delenummeret 40001020 en 400 x 200 mm plate som er 2 mm tykk med en K på 1 W/mK og en dielektrisk styrke eller elektrisk nedbrytingsgrad (E_BR) på 8 kV/mm. De myke og elektrisk isolerende egenskapene til WE-TGF-fyllmasser gjør dem egnet for bruk mellom én eller flere elektroniske komponenter og en kjølemodul (figur 3).

Figur 3: En fyllmasseplate av silikonelastomer er konstruert for å fylle et mellomrom mellom én eller flere elektroniske komponenter og en kjølemodul, for eksempel en kjøleribbe, en kjøleplate eller et metallhus. (Bildekilde: Würth Elektronik)

For varmestyring som trenger elektrisk isolasjon og tynnere profil, kan konstruktører bruke WE-TINS, som er en termisk ledende silikonisolatorplate med K fra 1,6 til 3,5 W/mK og en tykkelse på 0,23 mm. Delenummer 404035025 har en K på 3,5 W/mK og en E_BR på 6 kV/mm. I likhet med alle deler i WE-TINS-serien, kombinerer 404035025 termisk ledende silikongummi og et glassfibermaske. Masken gir mekanisk styrke og er motstandsdyktig mot punktering og påført skjærkraft. Som et resultat av de mekaniske egenskapene til konstruksjonen, kan disse TIM-ene komprimeres etter eget ønske, og de har høy strekkfasthet.

Termisk faseendrende materialer og termiske overføringsbånd er enda tynnere, med profiler på bare 0,02 mm. For eksempel kan WE-PCM-serien med faseendrende TIM endres fra et fast stoff til en væske ved en bestemt temperatur, noe som gir en fullstendig utbløting (wet-out) av kontaktflaten uten noe søl eller overflyt. De er konstruert for bruk med høyytelses IC-er eller strømkomponenter og kjølemoduler. For eksempel måler delenummer 402150101020 100 kvadratmillimeter, og har lim på begge sider, en K på 5 W/mK, en E_BR på 3 kV/mm og en faseendringstemperatur på 55 grader Celsius (°C).

Den termiske overføringstapen WE-TTT er en dobbeltsidig tape som muliggjør mekanisk festing av begge kontaktflatene. Den har en K på 1 W/mK og en E_BR på 4 kV/mm, og er konstruert for bruk under lavt trykk. Den er tilgjengelig i bredder på 8 mm (delenummer 403012008) og 50 mm (delenummer 403012050) på ruller på 25 meter (m).

Løsninger for grafittvarmespredning

Syntetiske grafittbaserte TIM-er tilbyr de høyeste nivåene av termisk konduktivitet (figur 4). Delenummer 4051210297017 i WE-TGS-familien er en syntetisk grafittvarmespreder som måler 297 x 210 mm med en K på 1800 W/mK, som ikke gir noe elektrisk isolasjon. Kombinasjonen av høy termisk konduktivitet, lav vekt og tynnhet (0,03 mm) gjør disse grafittplatene nyttige i mange forskjellige bruksområder, fra kraftige halvledermoduler til håndholdte enheter.

Figur 4: Grafittvarmespredere tilbyr høy termisk konduktivitet i flere dimensjoner og er så tynne som 0,03 mm. (Bildekilde: Würth Elektronik)

WE-TGFG-serien kombinerer grafittplater med skumputer for å produsere unike termiske konduktivitetsløsninger med en K på 400 W/mK og en E_BR på 1 kV/mm. Lange pakninger kan produseres slik at de fungerer som varmespredere og overfører varme sideveis fra kilden til en kjølemodul som er plassert i en annen del av systemet (figur 5). For eksempel er 407150045015-delen 45 mm lang, 15 mm bred og 1,5 mm tykk, og kan brukes i konstruksjoner som drar nytte av spaltefylling og sideveis varmeoverføring.

Figur 5: En TIM som er plassert på en varm komponent kan fungere som en varmespreder og overføre varmen sideveis bort fra komponenten. (Bildekilde: Würth Elektronik)

For å oppnå høyere termisk konduktivitet med silikonplater som WE-TGF, krever fyllmasser at platen gjøres tynnere. Konstruktører kan bruke WE-TGFG TIM-ene til å fylle spalter på opptil 25 mm med en mye høyere termisk konduktivitet enn det som er mulig med silikonplater, og WE-TGFG-deler kan lages i tilpassede geometrier slik at de vil passe inn i ikke-planare rom (figur 6).

Figur 6: En grafittskumpakning (midten) kan produseres med forskjellige geometrier og brukes til å forbinde en varmekilde (nederst) og et ikke-planart varmeavledningselement (øverst). (Bildekilde: Würth Elektronik)

Kombinering av TIM-er for å oppnå forbedret ytelse

TIM-er kan kombineres for å gi høyere ytelsesnivåer. En WE-TGS-grafittvarmespreder kan for eksempel kombineres med en WE-TGF-silikonfyllmasse for å muliggjøre bruk av en kjøleribbe med en fysisk størrelse som er større enn varmekilden, noe som øker kjøleevnen til den samlede sammensetningen (figur 7).

Figur 7: Ved å kombinere en WE-TGS-grafittvarmespreder (TIM 1) med en WE-TGF-silikonfyllmasse (TIM 2), muliggjøres bruken av en større kjøleribbe enn den fysiske størrelsen til den varme komponenten, noe som gir forbedret kjøling. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Retningslinjer for generell bruk

Uavhengig av TIM-en eller TIM-ene som brukes, er det noen generelle retningslinjer for bruk som konstruktører må ta i betraktning:

• Overflatene på komponenten og kjølemodulen må være rene og tørre. En lofri rensepinne eller serviett og isopropylalkohol må brukes til å fjerne eventuell overflatekontaminasjon.
• Når du bruker TIM-er som krever kompresjon, bør materialet komprimeres med jevnt trykk over hele overflaten. Materialet kan bli skadet hvis det påførte trykket overstiger den spesifiserte klassifiseringen.
• Alle luftbobler på overflaten og/eller spalter må elimineres for å oppnå den beste termiske konduktiviteten.
• Driftstemperaturen til TIM-en må være i stand til å imøtekomme kombinasjonen av omgivelsestemperaturen og temperaturøkningen til komponenten som kjøles.

Konklusjon

Varmestyring er et problem for et bredt spekter av elektroniske systemkonstruksjoner. Som vist, kan konstruktører bruke et bredt spekter av TIM-er som er laget av en rekke ulike materialer, deriblant silikon, faseendringsmaterialer, grafitt og skumputer. Bruken av TIM-er kan levere de konsekvent lave termiske impedansene som er nødvendige for å oppnå effektiv varmeoverføring, samtidig som eventuelle kontamineringsproblemer som kan oppstå ved bruk av termisk pasta eller fett elimineres.

Mens pastaer og fett kun overfører varme vertikalt, kan konstruktører velge mellom TIM-er med fyllmasse som leder varme vertikalt eller varmespredere som kan lede varme sideveis. Til slutt er mange TIM-er tilgjengelige uten noe minimum ordreantall eller verktøykostnader, noe som gjør dem til et prisgunstig alternativ for konstruksjoner med varmestyring.

Anbefalt lesing

1. En introduksjon til varmestyring
2. Slik holder du ting kalde: Grunnleggende om valg av og bruksområder for kjøleribber