Sådan optimerer du den termiske styring med varmefordelere og spalteudfyldere

God termisk styring er vigtig for at sikre elektroniske enheders ydeevne og pålidelighed. Det er konceptuelt set simpelt, idet man begynder med at overføre uønsket varme væk fra kilden og sprede den over et større område for at opnå effektiv afledning og køling. Men i mange tilfælde kan gennemførelsen være en udfordring.

Overfladerne på varmeproducerende enheder er typisk ikke glatte nok til at have den lave termiske impedans, der er nødvendig for at sikre en god varmeoverførsel. For nogle enheder er overfladerne ikke plane, hvilket øger udfordringen med termisk styring. Desuden kan de komponenter, der skal køles, være dybt inde i systemet, hvilket yderligere komplicerer udledningen af potentielt skadelig varme.

Termiske pastaer og fedtstoffer kan bruges til at forbedre den termiske ledningsevne, men det kan være vanskeligt at opnå den nødvendige dækning for at sikre god termisk overførsel og undgå overpåføring, der kan forårsage forurening af printpladebaner og resultere i kortslutninger. Desuden kan termiske pastaer og fedtstoffer ikke sprede varmen lateralt væk fra kilden.

I stedet kan designere henvende sig til en række forskellige termiske grænsefladematerialer (TIM'er), herunder spaltefyldninger og varmefordelere, for at opnå de konsekvent lave termiske impedanser, der er nødvendige for effektiv varmeoverførsel, samtidig med at de eliminerer eventuelle problemer med forurening. For at opfylde specifikke systembehov kan TIM'er struktureres til at overføre varme vertikalt eller sprede varmen lateralt. TIM'er fås i en række forskellige tykkelser, der passer til kravene i specifikke applikationer, er mekanisk stabile ved høje driftstemperaturer for at opnå god pålidelighed, kan give høj elektrisk isolation og er lette at anvende.

I denne artikel gennemgås termisk styring og gives generelle retningslinjer for valg af TIM. Derefter præsenteres flere TIM-muligheder fra Würth Elektronik og undersøger anvendelses- og designovervejelser for hver af dem.

Hvad er TIM'er?

TIM'er placeres mellem en varmekilde og en køleenhed for at forbedre den termiske kobling og varmestrømmen. Der er to faktorer, der øger effektiviteten af den termiske kobling. For det første er TIM's evne til at tilpasse sig mikroskopiske uregelmæssigheder i overfladen og fjerne alle lommer af isolerende luft, der reducerer grænsefladens varmeledningsevne (figur 1). For det andet har TIM'er den varmeledningsevne, der er nødvendig for effektivt at overføre varme fra kilden til køleaggregatet. Varmeledningsevne, K, kvantificeres som watt pr. meter pr. grad Kelvin (W/mK). Den måles ved hjælp af ASTM D5470, "Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials" (standardtestmetode for termisk transmission af termisk ledende elektriske isoleringsmaterialer).

Figur 1: En TIM (blå) bruges til at udfylde de mikroskopiske uregelmæssigheder, der findes i overfladerne på komponenter og kølesamlinger, for at forbedre den termiske kobling. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Ud over varmeledningsevnen er der flere ting, der skal tages i betragtning, når du vælger en TIM:

• Driftstemperaturområdet er vigtigt, da forskellige TIM'er er specificeret til forskellige temperaturområder.
• Afstanden mellem de matchende overflader, og om TIM skal komprimeres for at give optimal varmeoverførsel.
• TIM's evne til at modstå kompressionstryk.
• Nogle TIM'er fås med klæbemidler på overfladen, der muliggør mekanisk fastgørelse.
• TIM's elektriske isoleringsevne, da nogle materialer kan anvendes til at give elektrisk isolation.
• Nogle TIM'er fås som standarddele uden minimumsordreantal og uden værktøjsudgifter, mens andre fås i tilpassede former, der kan optimeres til specifikke anvendelseskrav.

Valg af mellemrumsudfyldningsmateriale

WE-TGF silikonefyldningsmateriale er et universalmateriale, der er designet til brug i lavtryksapplikationer, der har fordel af elektrisk isolation, hvor TIM'en er komprimeret mellem 10 % og 30 % af sin tykkelse. Overskridelse af det anbefalede kompressionsniveau kan medføre, at silikoneolien trækkes ud, hvilket reducerer materialets forventede levetid og muligvis forurener printkortet (pc-kort). Disse TIM'er er beregnet til brug mellem to mekanisk sikrede overflader, da de ikke har noget ekstra klæbemiddel ud over deres naturlige klæbrighed. Der fås tykkelser fra 0,5 til 18 millimeter (mm) med en varmeledningsevne på mellem 1 og 3 W/mK. Tykkelser fra 0,5 til 3 mm understøtter højere niveauer af varmeledningsevne (figur 2).

Figur 2: Der findes termiske spaltefyldningsmaterialer fra Würth til at opfylde behovene i en lang række forskellige applikationer. (Billedkilde: Würth Elektronik)

For eksempel er varenummer 40001020 en 400 x 200 mm stor pude, der er 2 mm tyk med en K på 1 W/mK og en dielektrisk styrke eller elektrisk nedbrydningsværdi (E_BR) på 8 kV/mm. De bløde og elektrisk isolerende egenskaber ved WE-TGF-spaltefyldningsmaterialer gør dem velegnede til brug mellem en eller flere elektroniske komponenter og en køleenhed (figur 3).

Figur 3: En silikoneelastomerfyldningspude er beregnet til at udfylde et mellemrum mellem en eller flere elektroniske komponenter og en køleenhed som f.eks. en køleplade eller et metalhus. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Til termiske styringsapplikationer, der kræver elektrisk isolation og en tyndere profil, kan designere bruge WE-TINS termisk ledende silikoneisolatorpude med K fra 1,6 til 3,5 W/mK og en tykkelse på 0,23 mm. Reservedelsnummer 404035025 har en K på 3,5 W/mK og en E_BR på 6 kV/mm. Som alle dele i WE-TINS-serien kombinerer 404035025 termisk ledende silikonegummi og et glasfibernet. Nettet giver mekanisk styrke og er modstandsdygtigt over for punktering og skæring. Som følge af strukturens mekaniske egenskaber kan disse TIM'er komprimeres som ønsket, og de har en høj trækstyrke.

Termiske faseændringsmaterialer og termiske overføringsbånd er endnu tyndere med profiler på kun 0,02 mm. WE-PCM-serien af faseskiftende TIM skifter f.eks. fra fast stof til væske ved en bestemt temperatur, hvilket giver en fuldstændig udtømning af grænsefladen uden spild eller overløb. De er designet til brug med højtydende integrerede kredsløb eller strømkomponenter og kølekomponenter. For eksempel måler del nummer 402150101020 100 mm i kvadrat med klæbemiddel på begge sider, en K på 5 W/mK, en E_BR på 3 kV/mm og en faseændringstemperatur på 55 grader Celsius (°C).

WE-TTT termisk overførselstape er en dobbeltsidet tape, der muliggør mekanisk fastgørelse af begge kontaktflader. Den har en K på 1 W/mK og en E_BR på 4 kV/mm og er beregnet til lavtryksanvendelser. Den fås i bredder på 8 mm (varenr. 403012008) og 50 mm (varenr. 403012050) på 25 meter (m) ruller.

Løsninger til spredning af varme med grafit

Syntetisk grafitbaserede TIM'er giver den højeste varmeledningsevne (figur 4). Varenummer 4051210297017 i WE-TGS-familien er en syntetisk grafitvarmespreder, der måler 297 x 210 mm med en K på 1800 W/mK, og som ikke giver nogen elektrisk isolation. Kombinationen af høj varmeledningsevne, lav vægt og tyndhed (0,03 mm) gør disse grafitplader anvendelige i en lang række applikationer, fra højtydende halvledermoduler til håndholdte enheder.

Figur 4: Grafitvarmespredere giver høj varmeledningsevne i flere dimensioner og er så tynde som 0,03 mm. (Billedkilde: Würth Elektronik)

WE-TGFG-serien kombinerer grafitplader med skumpuder for at fremstille unikke løsninger til varmestyring med en K på 400 W/mK og en E_BR på 1 kV/mm. Lange pakninger kan fremstilles til at fungere som varmespredere, der overfører varmen sidelæns fra kilden til en køleenhed i en anden del af systemet (figur 5). For eksempel måler del 407150045015 45 mm i længden, 15 mm i bredden og 1,5 mm i tykkelsen og kan bruges i applikationer, der har gavn af spalteudfyldning og lateral varmeoverførsel.

Figur 5: En TIM placeret oven på en varm komponent kan fungere som en varmespreder, der overfører varmen sidelæns væk fra komponenten. (Billedkilde: Würth Elektronik)

For at opnå højere varmeledningsevne med siliciumpuder som WE-TGF-gap fillers er det nødvendigt at gøre puden tyndere. Designere kan henvende sig til WE-TGFG TIMs for at udfylde huller på op til 25 mm med en meget højere varmeledningsevne end muligt med silikonepuder, og WE-TGFG-dele kan fremstilles i tilpassede geometrier for at passe ind i ikke-planare rum (Figur 6).

Figur 6: En pakning af grafitskum (i midten) kan fremstilles med forskellige geometrier og bruges som grænseflade mellem en varmekilde (nederst) og et ikke-planært varmeafledningselement (øverst). (Billedkilde: Würth Elektronik)

Kombination af TIM'er for at forbedre ydeevnen

TIM'er kan kombineres for at opnå højere præstationsniveauer. For eksempel kan en WE-TGS grafitvarmefordeler kombineres med en WE-TGF silikone spaltefylder for at muliggøre brugen af en køleprofil med et større fodaftryk end varmekilden, hvilket øger køleevnen for den samlede enhed (figur 7).

Figur 7: Ved at kombinere en WE-TGS grafitvarmespreder (TIM 1) med en WE-TGF silikonefyldning (TIM 2) kan der anvendes en større køleplade end den varme komponents fodaftryk, hvilket giver bedre køling. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Generelle retningslinjer for ansøgninger

Uanset hvilken eller hvilke TIM'er der anvendes, er der nogle få generelle retningslinjer for anvendelsen, som designerne skal overveje:

• Overfladerne på komponenten og køleaggregatet skal være rene og tørre. En fnugfri vatpind eller klud og isopropylalkohol bør anvendes til at fjerne enhver overfladeforurening.
• Ved brug af TIM'er, der kræver komprimering, skal materialet komprimeres med et jævnt tryk over hele overfladen. Materialet kan blive beskadiget, hvis det påførte tryk overstiger den angivne værdi.
• Alle luftbobler og/eller huller i overfladen skal fjernes for at opnå den bedste varmeledningsevne.
• TIM'ens driftstemperatur skal kunne tilpasses kombinationen af den omgivende temperatur og temperaturstigningen i den komponent, der skal køles.

Konklusion

Varmestyring er et problem i en lang række elektroniske systemdesigns. Som det fremgår, kan designere anvende en bred vifte af TIM'er fremstillet af forskellige materialer, herunder silikoner, faseændringsmaterialer, grafit og skumpuder. Brugen af TIM'er kan levere de konsekvent lave termiske impedanser, der er nødvendige for effektiv varmeoverførsel, samtidig med at de eliminerer eventuelle problemer med forurening, der kan opstå ved brug af termisk pasta eller fedt.

Mens pastaer og fedtstoffer kun overfører varme vertikalt, kan designere vælge mellem spalteudfyldende TIM'er, der leder varme vertikalt, eller varmefordelere, der kan lede varme lateralt. Endelig er mange TIM'er tilgængelige uden minimumsordreantal eller værktøjsudgifter, hvilket gør dem til et økonomisk valg til design af termisk styring.

Anbefalet læsning

1. En introduktion til termisk styring
2. Sådan holder du dig cool: Grundlæggende om valg og anvendelse af køleprofiler