Hur man optimerar värmestyrningen med värmefördelare och fyllningsmedel för mellanrum

En bra värmehantering är viktig för att säkerställa elektroniska enheters prestanda och tillförlitlighet. Det är teoretiskt enkelt, och bygger på att oönskad värme överförs från källan för att spridas ut över ett större område för effektiv spridning och kylning. Men i många fall kan det praktiska genomförandet vara en utmaning.

Ytorna på värmealstrande enheter är vanligtvis inte tillräckligt släta för att ha den låga termiska impedans som krävs för att garantera en god värmeöverföring. På vissa enheter är ytorna inte plana, vilket ökar utmaningen för värmehanteringen. Dessutom kan de komponenter som behöver kylas sitta djupt inne i systemet, vilket ytterligare försvårar extraheringen av potentiellt skadlig värme.

Termiska pastor och fetter kan användas för att förbättra värmeledningsförmågan, men det kan vara svårt att få den täckning som behövs för att säkerställa en god värmeöverföring och undvika överanvändning, som kan orsaka kontaminering av kretskortets banor och leda till kortslutningar. Värmepasta och fetter kan dessutom inte sprida värme i sidled bort från källan.

Istället kan konstruktörer använda sig av en mängd olika termiska gränssnittsmaterial, inklusive spaltfyllningsmedel och värmespridare, för att ge de konsekvent låga termiska impedanser som krävs för en effektiv värmeöverföring, samtidigt som de eliminerar alla problem med kontaminering. För att tillgodose specifika systembehov kan termiska gränssnittsmaterial utformas så att de överför värme vertikalt eller sprider värme i sidled. Termiska gränssnittsmaterial finns i olika tjocklekar för att uppfylla kraven i specifika tillämpningar, de är mekaniskt stabila vid förhöjda driftstemperaturer för god tillförlitlighet, kan tillhandahålla hög elektrisk isolering och är lätta att applicera.

Artikeln går igenom värmehantering och ger allmänna riktlinjer för val av termiska gränssnittsmaterial. Därefter presenteras flera olika alternativ av termiska gränssnittsmaterial från Würth Elektronik och man undersöker tillämpning och konstruktionsöverväganden för respektive alternativ.

Vad är termiska gränssnittsmaterial?

Termiska gränssnittsmaterial placeras mellan en värmekälla och en kylenhet för att förbättra den termiska kopplingen och värmeflödet. Två faktorer ökar den termiska kopplingens effektivitet. Den första är det termiska gränssnittsmaterialets förmåga att anpassa sig till mikroskopiska ojämnheter i ytan, vilket eliminerar alla fickor av isolerande luft som minskar gränssnittets värmeledningsförmåga (figur 1). För det andra har termiska gränssnittsmaterial den värmeledningsförmåga som krävs för att överföra värme från källan till kylanordningen på ett effektivt sätt. Värmekonduktiviteten, K, anges som watt per meter per grad Kelvin (W/mK). Den mäts med hjälp av ASTM D5470, "Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials" (standardtestmetod för värmeöverföringsegenskaper hos termiskt ledande elektriska isoleringsmaterial).

Figur 1: Ett termiskt gränssnittsmaterial (blå) som används för att fylla ut de mikroskopiska ojämnheter som finns på komponenters och kylningsenheters ytor för att förbättra den termiska kopplingen. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Förutom värmeledningsförmåga finns det flera andra faktorer att ta hänsyn till när man väljer ett termiskt gränssnittsmaterial:

• Drifttemperaturområdet är viktigt eftersom olika termiska gränssnittsmaterial är specificerade för olika temperaturområden.
• Avståndet mellan de sammanfogade ytorna, och om det termiska gränssnittsmaterialet måste komprimeras för att ge optimal värmeöverföring.
• Förmågan hos ett termiskt gränssnittsmaterial att tåla tryck vid komprimering.
• Vissa termiska gränssnittsmaterial har ett häftämne på ytan för att möjliggöra mekanisk montering.
• Det termiska gränssnittsmaterialets elektriska isoleringsegenskaper, eftersom vissa material kan användas för att tillhandahålla elektrisk isolering.
• Vissa termiska gränssnittsmaterial finns som standardartiklar utan krav på lägsta beställningsmängd och har inga verktygskostnader, medan andra finns i anpassade former som kan optimeras för specifika tillämpningskrav.

Val av spaltfyllningsmedel

Spaltfyllningsmedlet WE-TGF av silikon för mellanrum är ett universalmaterial som är avsett att användas i lågtryckstillämpningar som drar nytta av elektrisk isolering, där TIM komprimeras mellan 10 och 30 % av sin tjocklek. Om den rekommenderade kompressionsnivån överskrids kan det leda till att silikonolja tränger ut, vilket minskar materialets förväntade livslängd och eventuellt kan kontaminera kretskortet. Dessa termiska gränssnittsmaterial är utformade för användning mellan två mekaniskt säkra ytor, eftersom de inte har något ytterligare klister utöver sin naturliga vidhäftningsförmåga. Tjocklekar från 0,5 till 18 mm finns med en värmeledningsförmåga på mellan 1 och 3 W/mK. Tjocklekar från 0,5 till 3 mm ger högre nivåer av värmeledningsförmåga (figur 2).

Figur 2: Termiska spaltfyllningsmedel från Würth finns för att uppfylla behoven i en mängd olika tillämpningar. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Artikelnummer 40001020 är exempelvis en kudde på 400 x 200 mm med en tjocklek på 2 mm och ett K-värde på 1 W/mK samt en dielektrisk styrka eller E_BR-värde (Electrical Break Down Rating) på 8 kV/mm. De mjuka och elektriskt isolerande egenskaperna hos spaltfyllningsmedlet WE-TGF gör det lämpligt för användning mellan en eller flera elektroniska komponenter och en kylenhet (figur 3).

Figur 3: En spaltfyllningskudde av silikonelastomer som är utformad för att fylla ut ett mellanrum mellan en eller flera elektroniska komponenter och en kylenhet, t.ex. en kylfläns, en kylplatta eller ett metallhölje. (Bildkälla: Würth Elektronik)

För värmehanteringstillämpningar som kräver elektrisk isolering och en tunnare profil kan konstruktörer använda den termiskt isolerande silikonkudden WE-TINS med K från 1,6 till 3,5 W/mK och en tjocklek på 0,23 mm. Artikelnummer 404035025 har en K på 3,5 W/mK och en E_BR på 6 kV/mm. Liksom alla delar i serien WE-TINS kombinerar 404035025 värmeledande silikongummi och ett glasfibernät. Nätet ger mekanisk styrka och är motståndskraftigt mot punktering och skjuvning. Tack vare konstruktionens mekaniska egenskaper kan dessa termiska gränssnittsmaterial komprimeras enligt önskemål, och de har hög draghållfasthet.

Termiska fasförändringsmaterial och termiska överföringstejper är ännu tunnare, med profiler på endast 0,02 mm. SerienWE-PCM med fasförändrande termiska gränssnittsmaterial övergår exempelvis från fast form till flytande form vid en viss temperatur, vilket ger en fullständig vätning av gränssnittet utan spill eller överflöd. De är utformade för användning med högeffektiva integrerade kretsar eller kraftkomponenter och kylningsenheter. Exempel, artikelnummer 402150101020 100 mm i kvadrat med häftämne på båda sidor, en K på 5 W/mK, en E_BR på 3 kV/mm och en fasförändringstemperatur på 55 °C.

Den termiska tejpen WE-TTT är en dubbelsidig tejp som möjliggör mekanisk montering av de båda kontaktytorna. Den har en K på 1 W/mK och en E_BR på 4 kV/mm och är avsedd för lågtryckstillämpningar. Den finns i bredder på 8 mm (artikelnummer 403012008) eller 50 mm (artikelnummer 403012050) och på rullar med 25 m.

Lösningar av grafit för värmespridning

Syntetiska grafitbaserade TIM har den högsta värmeledningsförmågan (figur 4). Artikelnummer 4051210297017 i familjen WE-TGS är en värmespridare av syntetisk grafit med måtten 297 x 210 mm och en K på 1800 W/mK, som inte ger någon elektrisk isolering. Kombinationen av hög värmeledningsförmåga, låg vikt och tjocklek (0,03 mm) gör dessa grafitplattor användbara i en stor mängd tillämpningar, från högeffektiva halvledarmoduler till handhållna enheter.

Figur 4: Värmespridare av grafit har en hög värmeledningsförmåga i flera olika mått och är så tunna som 0,03 mm. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Serien WE-TGFG kombinerar grafitplattor med skumkuddar för att skapa unika värmehanteringslösningar med en K på 400 W/mK och en E_BR på 1 kV/mm. Långa tätningar kan tillverkas så att det fungerar som värmespridare och överför värme i sidled från källan till en kylenhet i en annan del av systemet (figur 5). Artikeln 407150045015 är exempelvis 45 mm lång, 15 mm bred och 1,5 mm tjock och kan användas i tillämpningar som drar nytta av fyllning av mellanrum och värmeöverföring i sidled.

Figur 5: Ett termiskt gränssnittsmaterial som placeras ovanpå en varm komponent kan fungera som en värmespridare och överföra värmen i sidled bort från komponenten. (Bildkälla: Würth Elektronik)

För att uppnå en högre värmeledningsförmåga med silikonkuddar som spaltfyllningsmaterialet WE-TGF måste kudden göras tunnare. Konstruktörer kan använda sig av det termiska gränssnittsmaterialet WE-TGFG för att fylla mellanrum på upp till 25 mm med en mycket högre värmeledningsförmåga än vad som är möjligt med silikonkuddar, och artiklar i WE-TGFG kan tillverkas i anpassade geometrier för att passa in i ojämna utrymmen (figur 6).

Figur 6: En tätning av grafitskum (mitten) som kan tillverkas med olika geometrier och användas som gränssnitt mellan en värmekälla (nederst) och ett ojämnt värmeavledande element (överst). (Bildkälla: Würth Elektronik)

Kombinera termiska gränssnittsmaterial för förbättrad prestanda

Termiska gränssnittsmaterial kan kombineras för att ge högre prestanda. En WE-TGS-värmespridare av grafit, kan exempelvis kombineras med spaltfyllningen WE-TGF av silikon för att möjliggöra användning av en kylfläns i ett större format än värmekällan, vilket ökar kylförmågan hos den totala enheten (figur 7).

Figur 7: Genom att kombinera värmespridaren WE-TGS av grafit (TIM 1) med spaltfyllningen WE-TGF av silikon (TIM 2) kan man använda en större kylfläns än den varma komponentens format, vilket ger bättre kylning. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Allmänna riktlinjer vid tillämpning

Oavsett vilken eller vilka termiska gränssnittsmaterial som används finns det några allmänna riktlinjer för tillämpningen som konstruktörer måste ta hänsyn till:

• Komponentens och kylenhetens ytor måste vara rena och torra. En luddfri bomullstuss eller torkduk med isopropylalkohol måste användas för att avlägsna eventuell ytkontaminering.
• När du använder ett termiskt gränssnittsmaterial som kräver komprimering måste materialet komprimeras med jämnt tryck över hela ytan. Materialet kan skadas om trycket överskrider den angivna märkningen.
• Alla luftbubblor på ytan och/eller mellanrum i ytan måste avlägsnas för att uppnå bästa värmeledningsförmåga.
• Driftstemperaturen för termiska gränssnittsmaterial måste kunna hantera kombinationen av omgivningstemperatur och temperaturökning hos den komponent som kyls.

Sammanfattning

Värmehantering är ett problem i många typer av elektroniska system. Som framgår kan konstruktörer använda sig av ett brett utbud av termiska gränssnittsmaterial som tillverkas av en mängd olika material, bland annat silikonmaterial, fasförändringsmaterial, grafit och skumkuddar. Användning av termiska gränssnittsmaterial kan ge de konstant låga termiska impedanser som krävs för en effektiv värmeöverföring, och samtidigt eliminera alla problem med föroreningar som kan uppstå vid användning av termiska pastor eller fetter.

Medan pastor och fetter endast överför värme vertikalt kan konstruktörer välja mellan termiska gränssnittsmaterial för att fylla mellanrum som leder värme vertikalt eller värmespridare som kan leda värme i sidled. Slutligen finns det många termiska gränssnittsmaterial utan lägsta beställningsmängd och utan verktygskostnader, vilket gör dem till ett prisvärt val i konstruktioner för termisk hantering.

Rekommenderad läsning

1. En introduktion till värmehantering
2. Håll huvudet - och annat - kallt: Grunderna i att välja och använda kylflänsar