Hoe optimaliseert u de warmtehuishouding met warmteverspreiders en spleetvullers?

Een goed thermisch beheer is belangrijk om de prestaties en betrouwbaarheid van elektronische apparatuur te garanderen. Het is conceptueel eenvoudig, te beginnen met de overdracht van ongewenste warmte weg van de bron, en deze te verspreiden over een groter gebied voor effectieve afvoer en koeling. Maar in veel gevallen kan de uitvoering een uitdaging zijn.

De oppervlakken van warmteproducerende apparaten zijn meestal niet glad genoeg om de lage thermische impedantie te hebben die nodig is voor een goede warmteoverdracht. Bij sommige toestellen zijn de oppervlakken niet vlak, wat het probleem van het thermisch beheer vergroot. Bovendien kunnen de onderdelen die gekoeld moeten worden, zich diep in het systeem bevinden, wat de afvoer van potentieel schadelijke warmte nog bemoeilijkt.

Thermische pasta's en vetten kunnen worden gebruikt om de thermische geleiding te verbeteren, maar het kan moeilijk zijn om de nodige dekking te verkrijgen voor een goede thermische overdracht en om te voorkomen dat te veel lijm wordt aangebracht, wat vervuiling van de printsporen en kortsluiting tot gevolg kan hebben. Bovendien kunnen thermische pasta's en vetten de warmte niet zijdelings van de bron verspreiden.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot een verscheidenheid van thermische interfacematerialen (TIM's), met inbegrip van spleetvullers en warmtespreiders om de constant lage thermische impedanties te verschaffen die nodig zijn voor een effectieve warmteoverdracht, terwijl verontreinigingsproblemen worden geëlimineerd. Om aan specifieke systeemvereisten te voldoen, kunnen TIM's zo worden gestructureerd dat zij de warmte verticaal overbrengen of lateraal verspreiden. TIMs zijn beschikbaar in een verscheidenheid van dikten om aan de vereisten van specifieke toepassingen te voldoen, zijn mechanisch stabiel bij verhoogde werkende temperaturen voor goede betrouwbaarheid, kunnen hoge elektrische isolatie verstrekken, en zij zijn gemakkelijk aan te brengen.

In dit artikel wordt het thermisch beheer besproken en worden algemene richtlijnen gegeven voor de keuze van TIM. Vervolgens worden verschillende TIM-opties van Würth Elektronik gepresenteerd en wordt ingegaan op de toepassings- en ontwerpoverwegingen voor elk daarvan.

Wat zijn TIM's?

TIM's worden tussen een warmtebron en een koelgroep geplaatst om de thermische koppeling en de warmtestroom te verbeteren. Twee factoren verhogen de efficiëntie van de thermische koppeling. Ten eerste is er het vermogen van het TIM om zich aan te passen aan microscopische onregelmatigheden van het oppervlak, waardoor alle zakken met isolerende lucht die de thermische geleidbaarheid van de interface verminderen, worden geëlimineerd (figuur 1). Ten tweede hebben TIM's het warmtegeleidingsvermogen dat nodig is om warmte effectief van de bron naar de koelgroep over te brengen. De thermische geleidbaarheid, K, wordt gekwantificeerd als watt per meter per graad Kelvin (W/mK). Het wordt gemeten met ASTM D5470, "Standaard testmethode voor thermische transmissie-eigenschappen van thermisch geleidende elektrische isolatiematerialen".

Afbeelding 1: Een TIM (blauw) wordt gebruikt om de microscopische onregelmatigheden in de oppervlakken van componenten en koelassemblages op te vullen en zo de thermische koppeling te verbeteren. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Naast de thermische geleidbaarheid zijn er nog andere overwegingen bij de keuze van een TIM:

• Het bedrijfstemperatuurbereik is belangrijk, aangezien verschillende TIM's gespecificeerd zijn voor verschillende temperatuurbereiken.
• De afstand tussen de tegenliggende oppervlakken en of het TIM moet worden samengedrukt om een optimale warmteoverdracht te bewerkstelligen.
• Drukbestendigheid van het TIM.
• Sommige TIM's zijn verkrijgbaar met kleefstoffen op hun oppervlak die mechanische bevestiging mogelijk maken.
• Elektrische isolatie-eigenschap van het TIM, aangezien sommige materialen kunnen worden gebruikt om voor elektrische isolatie te zorgen.
• Sommige TIM's zijn beschikbaar als standaardonderdelen zonder minimale bestelhoeveelheid en zonder gereedschapskosten, terwijl andere beschikbaar zijn in aangepaste vormen die kunnen worden geoptimaliseerd voor specifieke toepassingsvereisten.

Gap filler keuzes

De WE-TGF siliconen spleetvuller is een materiaal voor algemeen gebruik dat is ontworpen voor gebruik in lage-druktoepassingen die baat hebben bij elektrische isolatie, waarbij het TIM tussen 10% en 30% van zijn dikte wordt samengedrukt. Overschrijding van het aanbevolen compressieniveau kan resulteren in het uitdrijven van siliconenolie, waardoor de verwachte levensduur van het materiaal wordt verkort en de printplaat (pc board) mogelijk wordt verontreinigd. Deze TIM's zijn ontworpen voor gebruik tussen twee mechanisch bevestigde oppervlakken, aangezien zij geen extra kleefstof bevatten buiten hun natuurlijke kleverigheid. Diktes van 0,5 tot 18 millimeter (mm) zijn beschikbaar met warmtegeleidingscoëfficiënten tussen 1 en 3 W/mK. Diktes van 0,5 tot 3 mm ondersteunen hogere niveaus van thermische geleiding (figuur 2).

Afbeelding 2: Thermische spleetvullers van Würth zijn verkrijgbaar om te voldoen aan de behoeften van een grote verscheidenheid aan toepassingen. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Bijvoorbeeld, onderdeelnummer 40001020 is een onderlegger van 400 x 200 mm die 2 mm dik is met een K van 1 W/mK, en een diëlektrische sterkte of electrical break down rating (E_BR) van 8 kV/mm. De zachte en elektrisch isolerende eigenschappen van de WE-TGF spleetvullers maken ze geschikt voor gebruik tussen een of meer elektronische componenten en een koelgroep (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een siliconenelastomeer spleetvulstuk is ontworpen om een spleet op te vullen tussen een of meer elektronische componenten en een koelgroep, zoals een koellichaam, koelplaat of metalen behuizing. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Voor thermisch-managementtoepassingen die elektrische isolatie en een dunner profiel vereisen, kunnen ontwerpers gebruik maken van de WE-TINS thermisch geleidende siliconenisolator met K van 1,6 tot 3,5 W/mK en een dikte van 0,23 mm. Onderdeelnummer 404035025 heeft een K van 3,5 W/mK en een E_BR van 6 kV/mm. Zoals alle onderdelen in de WE-TINS-serie combineert de 404035025 thermisch geleidend siliconenrubber en een glasvezelnet. Het gaas voegt mechanische sterkte toe en is bestand tegen doorboring en afschuiving. Door de mechanische eigenschappen van de structuur kunnen deze TIM's naar wens worden samengedrukt en hebben zij een hoge treksterkte.

Thermische faseveranderingsmaterialen en thermotransfer-tapes zijn nog dunner, met profielen van slechts 0,02 mm. De WE-PCM-serie van faseveranderende TIM verandert bijvoorbeeld van een vaste stof in een vloeistof bij een specifieke temperatuur, waardoor een volledige bevochtiging van de interface wordt verkregen zonder morsen of overlopen. Zij zijn ontworpen voor gebruik met krachtige geïntegreerde schakelingen of vermogenscomponenten en koelsamenstellingen. Bijvoorbeeld, onderdeelnummer 402150101020 meet 100 mm in het vierkant met kleefstof aan beide zijden, een K van 5 W/mK, een E_BR van 3 kV/mm, en een faseveranderingstemperatuur van 55 graden Celsius (°C).

WE-TTT-thermotransfertape is een dubbelzijdige tape die mechanische bevestiging van beide contactoppervlakken mogelijk maakt. Het heeft een K van 1 W/mK en een E_BR van 4 kV/mm, en is ontworpen voor lagedruktoepassingen. Het is verkrijgbaar in breedten van 8 mm (onderdeelnummer 403012008) en 50 mm (onderdeelnummer 403012050) op rollen van 25 meter (m).

Grafiet warmteverspreidende oplossingen

TIM's op basis van synthetisch grafiet bieden de hoogste niveaus van thermische geleidbaarheid (Afbeelding 4). Onderdeelnummer 4051210297017 in de WE-TGS-familie is een synthetische grafiet warmtespreider van 297 x 210 mm met een K van 1800 W/mK, die geen elektrische isolatie biedt. De combinatie van hoge thermische geleidbaarheid, licht gewicht en dunheid (0,03 mm) maakt deze grafietbladen bruikbaar in een brede waaier van toepassingen, gaande van halfgeleidermodules met hoog vermogen tot handtoestellen.

Afbeelding 4: Grafiet-warmteverspreiders bieden een hoge thermische geleiding in meerdere dimensies en zijn zo dun als 0,03 mm. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De WE-TGFG-serie combineert grafietplaten met schuimkussens om unieke thermische beheeroplossingen te produceren met een K van 400 W/mK en een E_BR van 1 kV/mm. Lange pakkingen kunnen worden vervaardigd om als warmtespreiders te dienen, waarbij de warmte zijdelings wordt overgebracht van de bron naar een koelgroep in een ander deel van het systeem (Afbeelding 5). Onderdeel 407150045015 bijvoorbeeld is 45 mm lang, 15 mm breed en 1,5 mm dik, en kan worden gebruikt in toepassingen die baat hebben bij het opvullen van spleten en zijdelingse warmteoverdracht.

Afbeelding 5: Een TIM dat bovenop een heet onderdeel wordt geplaatst, kan als warmteverspreider fungeren en de warmte zijdelings van het onderdeel wegleiden. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Om hogere warmtegeleidingscoëfficiënten te bereiken met siliconen voetjes zoals de WE-TGF-spleetvullers, moet het voetje dunner worden gemaakt. Ontwerpers kunnen een beroep doen op de WE-TGFG TIM's om spleten tot 25 mm op te vullen met een veel hogere thermische geleiding dan mogelijk is met siliconenpads, en WE-TGFG-onderdelen kunnen in aangepaste geometrieën worden gemaakt om in niet-vlakke ruimten te passen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Een pakking van grafietschuim (midden) kan met verschillende geometrieën worden vervaardigd en worden gebruikt als interface tussen een warmtebron (onder) en een niet-vlak warmteverspreidend element (boven). (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Combineren van TIM's voor betere prestaties

TIM's kunnen worden gecombineerd om hogere prestatieniveaus te bereiken. Zo kan bijvoorbeeld een WE-TGS grafiet warmtespreider worden gecombineerd met een WE-TGF siliconen spleetvuller om het gebruik mogelijk te maken van een koellichaam met een grotere voetafdruk dan de warmtebron, waardoor het koelvermogen van de totale assemblage toeneemt (figuur 7).

Afbeelding 7: Door een WE-TGS grafiet warmteverspreiders (TIM 1) te combineren met een WE-TGF siliconen spleetvuller (TIM 2) kan een koellichaam worden gebruikt dat groter is dan de voetafdruk van het hete onderdeel, waardoor een betere koeling wordt verkregen. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Algemene richtlijnen voor aanvragen

Ongeacht het TIM of de TIM's die worden gebruikt, zijn er een paar algemene toepassingsrichtlijnen waarmee ontwerpers rekening moeten houden:

• De oppervlakken van het onderdeel en de koelgroep moeten schoon en droog zijn. Gebruik een pluisvrij wattenstaafje of doekje en isopropylalcohol om eventuele verontreiniging van het oppervlak te verwijderen.
• Bij gebruik van TIM's die moeten worden samengedrukt, moet het materiaal met gelijkmatige druk over het gehele oppervlak worden samengedrukt. Het materiaal kan beschadigd raken als de uitgeoefende druk hoger is dan de aangegeven waarde.
• Alle luchtbellen en/of spleten aan het oppervlak moeten worden weggewerkt om de beste thermische geleiding te verkrijgen.
• De bedrijfstemperatuur van het TIM moet berekend zijn op de combinatie van de omgevingstemperatuur en de temperatuurstijging van het te koelen onderdeel.

Conclusie

Thermisch beheer is een probleem in een groot aantal elektronische systeemontwerpen. Zoals blijkt, kunnen ontwerpers een beroep doen op een brede waaier van TIM's, gemaakt van diverse materialen, waaronder siliconen, materialen voor faseverandering, grafiet en schuimkussens. Het gebruik van TIM's kan de constante lage thermische impedanties leveren die nodig zijn voor een doeltreffende warmteoverdracht en tegelijk verontreinigingsproblemen voorkomen die kunnen ontstaan bij het gebruik van thermische pasta's of vetten.

Terwijl pasta's en vetten de warmte alleen verticaal overbrengen, kunnen ontwerpers kiezen uit spleetvullende TIM's die de warmte verticaal geleiden of warmtespreiders die de warmte lateraal kunnen geleiden. Tenslotte zijn vele TIM's verkrijgbaar zonder minimum bestelhoeveelheid of gereedschapskosten, waardoor zij een economische keuze zijn voor thermisch-beheerontwerpen.

Aanbevolen lectuur

1. Een inleiding tot thermisch beheer
2. Hoe koel te blijven: De basisprincipes van koellichamen selecteren en toepassen