Over 10 years we help companies reach their financial and branding goals. Engitech is a values-driven technology agency dedicated.

Gallery

Contacts

411 University St, Seattle, USA

engitech@oceanthemes.net

+1 -800-456-478-23

Artykuły
Innowacja w zarządzaniu ciepłem: materiały termoprzewodzące z przemianą fazową
Materiały termoprzewodzące (Thermal Interface Materials , TIM) są używane w układach elektronicznych w celu poprawy odprowadzania ciepła i obniżenia temperatury pracy urządzenia. Materiały te działają poprzez poprawę przewodzenia ciepła do radiatora, gdzie ciepło jest finalnie wypromieniowywane do otaczającego środowiska za pomocą konwekcji. Zapotrzebowanie na lepsze odprowadzanie ciepła w urządzeniach elektronicznych stale rośnie, szczególnie w zastosowaniach, w których wymagana jest zarówno miniaturyzacja, jak i wysoka wydajność w jednym pakiecie. Ben Han z Electrolube China (Suzhou) opracował nową generację materiałów zmieniających fazę (Phase Change Materials, PCM), zapewniając praktyczną i skuteczną alternatywę dla bardziej tradycyjnych rozwiązań zarządzania ciepłem, takich jak pasty termoprzewodzące lub smary. Materiały PCM projektuje się tak, aby zmieniały swój stan skupienia w temperaturze przemiany fazowej, co oznacza, że ​​przechodzą one z fazy stałej do formy miękkiej, płynącej. Pozwala to z kolei materiałowi PCM lepiej dopasować się do kształtu powierzchni, wypełniając wszystkie puste przestrzenie i małe szczeliny, tak jak zrobiłaby to pasta podczas aplikacji, tworząc cienką warstwę materiału termoprzewodzącego na granicy materiałów. Poprawa wymiany ciepła Typowe zastosowania, w których istnieje potrzeba wykorzystania materiałów o zwiększonej wydajności wymiany ciepła, obejmują niewielkie urządzenia elektroniczne, takie jak smartfony, konsole do gier, tablety itp. Te małe urządzenia wykonują wiele zadań z wyjątkową szybkością i wymagają do tego zwiększonej mocy. Niewielki rozmiar urządzenia oznacza, że ​​ciepło wytwarzane przez wzrost mocy będzie miało negatywny wpływ na wydajność i/lub żywotność samego urządzenia. Innym ważnym obszarem, który opiera się na optymalnym zarządzaniu ciepłem, jest energoelektronika, czyli urządzenia dystrybucji mocy, czujniki, pojazdy elektryczne czy diody LED o dużej mocy. Wybór właściwego TIM dla tych aplikacji ma kluczowe znaczenie dla długoterminowej niezawodności urządzeń. Wstępny wybór odpowiednich TIM w fazie testów jest często dokonywany na podstawie objętościowego współczynnika przewodnictwa termicznego materiału, określającego jego zdolność do odprowadzania ciepła. Jednak sam współczynnik przewodności może dać fałszywe wrażenie o oczekiwanej wydajności transferu ciepła. Gdy testy są przeprowadzane w warunkach aplikacji, niski opór cieplny urządzenia wskazuje na rzeczywistą sprawność wymiany ciepła TIM, co można opisać za pomocą następującego wzoru: Całkowity opór cieplny urządzenia = (BLT / K) + Rc BLT = Grubość warstwy materiału termoprzewodzącego TIM K = współczynnik przewodność cieplnej TIM Rc = całkowita rezystancja termiczna Ten wzór udowadnia, że ​​przewodność cieplna jest ważna, ale należy ją analizować tylko w połączeniu z grubością zastosowanego TIM i jednorodności TIM na powierzchniach styku. Wzór podkreśla również, dlaczego pasty termoprzewodzące są nadal popularnym wyborem, oferując dobre zwilżanie powierzchni kontaktowej, zapewniając niską rezystancję termiczną, oferując jednocześnie minimalną grubość warstwy kontaktowej i rozwiązując problem nierówności obu powierzchni. Jednak PCM – materiały o zmiennym wraz z temperaturą stanie plastyczności – zostały wprowadzone, aby zapewnić wydajność podobną do past termoprzewodzących, niwelując jednocześnie takie problemy jak wpływ zjawiska wypychania z obszaru kontaktu i stabilności termicznej w czasie. Wykres 1: Typowe wartości przewodnictwa i rezystancji past i smarów termoprzewodzących w porównaniu z PCM firmy Electrolube. Wypychanie materiału Tranzystory IGBT są szeroko stosowane w energoelektronice i stanowią dobry przykład do zrozumienia zjawiska wypychania, będącego skutkiem różnej rozszerzalności cieplnej materiałów. IGBT składają się ze stosu termicznego, który zawiera materiały o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej (CTE) i różnych współczynnikach przewodnictwa cieplnego, co prowadzi do zróżnicowania temperatury w obrębie samego IGBT. Tranzystory IGBT – jak również większość urządzeń elektronicznych – poddawane jest pewnym narażeniom termicznym, nawet jeśli jest to jedynie włączanie i wyłączanie urządzenia. W warunkach zmian temperatury, wszystkie materiały w urządzeniu rozszerzają się lub kurczą do pewnego stopnia, w zależności od temperatury, jaką urządzenie osiąga podczas pracy, a właściwie od temperatur, które osiągają poszczególne jego elementy. Współczynnik rozszerzalności cieplnej dla różnych elementów układu jest różny. Prowadząc do kurczenia się i rozszerzania z różną intensywnością, powodując efekt wypychania TIM. Podczas rozwiązywania problemów związanych z wypychaniem materiału termoprzewodzącego ważne jest, aby zrozumieć warunki w jakich zachodzi ten proces, jak i parametry samych materiałów. Problem występuje na styku pomiędzy współpracującymi powierzchniami, poruszającymi się względem siebie podczas zmian temperatury. Skutkuje to oddziaływaniem mechanicznym, pewnym rodzajem tarcia, które może prowadzić do zmian w reologii materiału i jego usuwania z powierzchni styku. PCM zmieniają swój stan powyżej i poniżej temperatury przemiany fazowej, dzięki czemu są w stanie oprzeć się opisanym efektom mechanicznym i pozostają bardziej stabilne przez wiele cykli termicznych, zapewniając pewny kontakt termiczny. Inne testy Cykle zmian obciążeń elektrycznych również skutkują zmianami temperatury urządzenia, a co za tym idzie temperatur powierzchni kontaktowych. Urządzenia te mają zatem swój własny cykl termiczny podczas użytkowania, który może zostać dodatkowo spotęgowany przez zewnętrzne warunki środowiskowe. Bez względu na przyczynę, zmiany termiczne spowodują w jakiejś formie efekt mechanicznego wypychania, a zatem stabilność wybranego TIM w warunkach końcowego użytkowania ma kluczowe znaczenie dla jego oceny. Ponieważ wymagania aplikacji regulują spodziewane warunki środowiskowe, zwykle stosuje się badania indywidualnie dopasowane do aplikacji, a nie ich standardowy zestaw. Zestawy testów tego typu są jednak zwykle przeprowadzane według podobnych scenariuszy, obejmujących badanie stabilności termicznej materiału termoprzewodzącego TIM wobec kolejnych cykli temperaturowych, analizę wpływu wygrzewania w wysokiej temperaturze oraz test HAST, analizujący wpływ gwałtownych zmian temperatury. Jak widać na poniższych wykresach, opisane testy zapewniają lepsze zrozumienie zachowania TIM w długim okresie czasu w porównaniu ze standardowymi testami cyklu zasilania, przeprowadzanymi w dokładnych warunkach użytkowania. Znaczenie stabilności Stabilność TIMs można oszacować wizualnie, stwierdzając, czy pozostał on na miejscu po zakończeniu cyklu obciążeń termicznych. Jeśli materiał zmienił położenie podczas testu termicznego, albo w efekcie wypychania towarzyszącego zmianom temperatury, albo pod wpływem grawitacji w orientacji pionowej, prawdopodobnie zmienią się również właściwości produktu, związane ze zdolnością odprowadzania ciepła. Proste testy mogą obejmować aplikację produktu między dwa podłoża i stwierdzenie ewentualnego ruchu lub oddzielenia się materiału podczas testu szoku termicznego. Ten najprostszy test może uwydatnić znaczenie wyboru materiału TIM, szczególnie w przypadku smarów termicznych. Te nie utwardzające się produkty są przeznaczone do nakładania cienkich warstw o ​​grubości około 50-100 mikronów, ale często są używane przy znacznie większych grubościach, co łatwo może doprowadzić do rozdzielania się warstw lub przemieszczania pasty w efekcie wypychania, prowadząc do pogorszenia wydajności wymiany ciepła. Te same zjawiska nie wpływają w ten sam sposób na materiały o przemianie fazowej PCM, które wykazują większą stabilność fizyczną niż smary termoprzewodzące. W szerszym kontekście wyboru materiału termoprzewodzącego i jego stabilności ważne jest, aby wspomnieć, jakie alternatywne podejścia może rozważyć projektant. Electrolube wprowadziła kilka nowatorskich produktów, które oferują zalety tradycyjnych rozwiązań w zakresie odprowadzania ciepła ze stabilnością wymaganą w zastosowaniach o dużej zmienności narażeń termicznych. Materiały te, utwardzone na powierzchni styku, tworzą stabilny związek, łatwy do usunięcia w przypadku zaistnienia takiej potrzeby. Inne tradycyjne produkty, które zapewniają całkowite utwardzenie warstwy kontaktowej o wysokiej stabilności, to jednoskładnikowe silikony lub dwuskładnikowe epoksydy, jednak naprawy układów zawierających tego typu produkty są znacznie trudniejsze i jest mało prawdopodobne, aby osiągnęły one niską odporność termiczną, równą tradycyjnym pastom termoprzewodzącym. Niezależnie jednak od tego, jak wygląda materiał termoprzewodzący po testach, najważniejszą kwestią jest to, czy opór cieplny na połączeniu pozostał niski i stały, ponieważ jest to podstawowy czynnik, który będzie miał wpływ na działanie urządzenia. PCM są najczęściej wybierane ze względu na ich stabilność i zdolność do zapewnienia niskiej rezystancji termicznej. Ale właściwie dlaczego działają one wiele lepiej w trudnych warunkach niż tradycyjna pasta termoprzewodząca? Materiał o przemianie fazowej zmienia swój stan ze stałego na bardziej miękki powyżej ustalonej temperatury, zwykle w zakresie około 50˚C. Tę cechę materiału osiąga się, stosując jako podstawę TIM materiał polimerowy zamiast oleju bazowego. Łańcuchy polimerowe zapewniają zwiększoną stabilność dyspersji wypełniacza termicznego zarówno w stanie stałym, jak i zmiękczonym. Skutkuje to zwiększoną przewodnością cieplną i długotrwałym, niskim oporem cieplnym, ponieważ materiał jest utrzymywany w bardziej spójnym stanie przez cały okres jego użytkowania w urządzeniu. Z drugiej strony, pasty termoprzewodzące składają się z olejów bazowych o krótszych łańcuchach molekularnych, które zapewniają doskonałe zwilżanie przy pierwszym zastosowaniu, ale mogą prowadzić do problemów, w tym wypychania w efekcie różnic rozszerzalności cieplnej, wysychania i wyciekania. Rysunek: Różnica między strukturami polimerowymi o długim i krótkim łańcuchu Inną ważną właściwością PCM jest ich zdolność do magazynowania i uwalniania energii podczas zmiany stanu. Powoduje to pewną absorpcję ciepła i chroni urządzenie przed nagłymi skokami temperatury, na przykład z powodu gwałtownych zmian mocy. Rozważając, która aplikacja jest odpowiednia dla PCM, konieczna jest wiedza na temat temperatur i profili temperaturowych, na jakie będzie narażone urządzenie podczas pracy. Na przykład, urządzenie poddawane cyklom termicznym lub działające w warunkach stabilnej temperatury będzie wymagać innego TIM do osiągnięcia największej wydajności. W przypadku PCM należy wziąć pod uwagę dodatkowy czynnik temperatury przemiany fazowej. Jeśli ciągła temperatura pracy urządzenia jest niższa od temperatury przemiany fazowej, produkt nie będzie działał na oczekiwanym poziomie. Wprowadzenie nowych produktów Electrolube niedawno wprowadziła dwa nowe produkty termoprzewodzące typu PCM, TPM350 i TPM550. TPM350 ma współczynnik przewodnictwa cieplnego 3,5 W/m.K i nadaje się do użytku w około 50°C. W tej temperaturze zmienia stan, stając się materiałem lepiej dopasowującym się do podłoża, minimalizując opór cieplny na granicy faz i poprawiając transfer ciepła. Po ostygnięciu wraca do swojego pierwotnego stanu. Zaawansowana formuła materiału zapewnia minimalny kontaktowy opór cieplny. TPM550 ma wyższy współczynnik przewodnictwa cieplnego 5,5 W/ mK i ma temperaturę mięknięcia 45˚C. Podobnie jak TPM350, ze względu na swoje właściwości tiksotropowe TPM550 nie rozlewa się, co zapobiega ucieczce materiału poza pożądany obszar. Nowe PCM nie zawierają silikonu, mają zakres temperatur roboczych od -40 do + 125˚C i są zgodne z RoHS. Zarówno TPM350, jak i TPM550 nadają się do sitodruku i chociaż zawierają niewielkie ilości rozpuszczalnika poprawiającego zwilżalność podczas aplikacji, szybko on jednak odparowuje, pozostawiając na podłożu stabilny materiał. Podsumowanie Materiały PCM po podgrzaniu powyżej ich temperatury przemiany fazowej, stają się wysoce tiksotropowymi cieczami, które działają równie dobrze – a czasem nawet lepiej – niż tradycyjne pasty termoprzewodzące. Ponadto ich niska temperatura przemiany fazowej zapewnia niski opór cieplny w szerokim zakresie temperatur, zapewniając minimalną grubość spoiny przy poprawionej stabilności i odporności na ścieranie. Większość PCM może być wykorzystana w istniejących procesach produkcyjnych przy minimalnych zmianach lub całkowicie bez konieczności ich wprowadzania, pozwalając jednocześnie na łatwe przeróbki, przy zachowaniu takich samych korzyści jak tradycyjne pasty termoprzewodzące. Ponieważ PCM zapewniają większą stabilność długoterminową w porównaniu z pastami termoprzewodzącymi, są lepiej przystosowane do zastosowań wymagających wysokich temperatur, w których żywotność produktu i niezawodność mogą być krytyczne, takich jak na przykład elektronika samochodowa lub falowniki farm wiatrowych. Tradycyjne pasty i smary termoprzewodzące będą nadal popularnym wyborem, chociaż w niektórych zastosowaniach, zwłaszcza wymagających większej długoterminowej stabilności, materiał o przemianie fazowej prawdopodobnie zdobędzie przewagę.