Інновації в управлінні теплом: теплопровідні матеріали зі зміною фаз

14.09.2023 |

Нещодавно було розроблено нове покоління фазоперехідних матеріалів (Phase Change Materials, PCM), що є практичною та ефективною альтернативою більш традиційним рішенням для управління температурою, таким як термопасти.

Термоінтерфейсні матеріали (Thermal Interface Materials, TIM) використовуються в електроніці для підвищення ефективності теплопередачі та зниження робочої температури пристрою. Ці матеріали працюють, покращуючи теплопровідність до радіатора, звідки тепло в кінцевому підсумку випромінюється в навколишнє середовище шляхом конвекції. Попит на краще розсіювання тепла в електронних пристроях продовжує зростати, особливо в сферах, де потрібні і мініатюризація, і висока продуктивність в одному корпусі. Бен Хан (Ben Han) з Electrolube China (Сучжоу) розробив нове покоління матеріалів зі зміною фази (Phase Change Materials, PCM), що є практичною та ефективною альтернативою більш традиційним рішенням для управління температурою, таким як термопасти або мастила.

PCM-матеріали розроблені для зміни свого агрегатного стану при температурі фазового переходу, що означає, що вони переходять із твердої фази на м’яку текучу форму. Це, у свою чергу, дозволяє PCM-матеріалу краще відповідати формі поверхні, заповнюючи всі порожнечі та невеликі щілини, як це робила б паста під час нанесення, створюючи тонкий шар теплопровідного матеріалу на межі матеріалів.

Покращення теплопередачі

Типові сфери застосування, де є потреба в матеріалах із підвищеною ефективністю теплопередачі, включають невеликі електронні пристрої, такі як смартфони, ігрові консолі, планшети тощо. Ці маленькі пристрої виконують багато завдань із надзвичайною швидкістю та потребують для цього підвищеної потужності. Невеликий розмір пристрою означає, що тепло, яке утворюється при збільшенні потужності, матиме негативний вплив на продуктивність та/або термін служби самого пристрою. Іншою важливою сферою, яка базується на оптимальному термоуправлінні, є силова електроніка, тобто пристрої розподілу електроенергії, датчики, електромобілі або потужні світлодіоди. Вибір правильного TIM для цих програм має вирішальне значення для довгострокової надійності пристрою.

Початковий вибір відповідних TIM на етапі тестування часто здійснюється на основі високої об’ємної теплопровідності матеріалу, який описує його здатність розсіювати тепло. Однак сама по собі об’ємна теплопровідність може створити хибне враження про очікувану ефективність теплопередачі. Коли випробування проводяться в умовах застосування, низький термічний опір пристрою вказує на справжню ефективність теплопередачі TIM, і його можна описати такою формулою:

Загальний тепловий опір приладу = (BLT / K) + Rc

Де:

BLT = Товщина шару теплопровідного матеріалу TIM

K = коефіцієнт теплопровідності TIM

Rc = загальний термічний опір

Ця формула доводить, що теплопровідність важлива, але її слід аналізувати лише в поєднанні з товщиною нанесеного TIM і однорідністю TIM на контактних поверхнях. Формула також підкреслює, чому термопасти все ще є популярним вибором, пропонуючи добре змочування контактних поверхонь, забезпечуючи низький термічний опір, водночас пропонуючи мінімальну товщину контактного шару та усуваючи нерівності обох поверхонь. Проте, PCM – пластичні матеріали зі змінною температурою – були введені, щоб забезпечити продуктивність, подібну до термопаст, і при цьому подолати такі проблеми, як явище витиснення з площі контакту та термостабільність з часом.

Таблиця 1: Типові значення електропровідності та опору теплопровідних паст і мастил порівняно з PCM фірми Electrolube.

Тип продукту Назва продукту Тестер теплопровідності з гарячим диском (ISO22007-2) Термічний опір

TIM Тестер (ASTM D5470)

70оC,50psi (TIM продукти)

50оC,50psi (інші продукти)

Матеріал із зміною фаз TPM550 5.5 0.008
TPM350 3.5 0.017
Термопаста HTC 0.7 0.038
HTCP 1.3 0.067
HTSP 2.2 0.046
Термогель/шпаклівка HTCPX 2.5 0.045
TCP400 3.6 0.189

Витиснення матеріалу

IGBT широко використовуються в силовій електроніці та є хорошим прикладом для розуміння явища витиснення, яке є результатом різного теплового розширення матеріалів. IGBT складаються з теплової системи, яка містить матеріали з різними коефіцієнтами теплового розширення (КТР) і різними коефіцієнтами теплопровідності, що призводить до коливань температури всередині самого IGBT.

IGBT, як і більшість електронних пристроїв, піддаються певному термічному впливу, навіть якщо це просто вмикання та вимикання пристрою. В умовах зміни температури всі матеріали в пристрої певною мірою розширюються або стискаються, залежно від температури, яку досягає пристрій під час роботи, і фактично від температур, яких досягають окремі компоненти. Коефіцієнт теплового розширення для різних елементів системи різний, тому стискання та розширення відбувається з різною швидкістю, викликаючи ефект виштовхування TIM.

При вирішенні завдань, пов’язаних з виштовхуванням теплопровідного матеріалу, важливо розуміти умови, в яких відбувається цей процес, а також параметри самих матеріалів. Проблема виникає на межі розділу між взаємодіючими поверхнями, які рухаються одна відносно одної під час зміни температури. Це призводить до механічної дії, свого роду тертя, яке може призвести до зміни реології матеріалу та його видалення з контактної поверхні. PCM змінюють свій стан вище та нижче температури фазового переходу, тому вони здатні протистояти описаним механічним впливам і залишаються більш стабільними протягом багатьох термічних циклів, забезпечуючи надійний тепловий контакт.

Інші тести

Цикли зміни електричних навантажень також призводять до зміни температури пристрою, а отже, і температури контактних поверхонь. Таким чином, ці пристрої мають власний термічний цикл під час використання, який може ще більше погіршуватися зовнішніми умовами навколишнього середовища. Незалежно від причини, температурні зміни призведуть до певної форми механічного ефекту підштовхування, тому стабільність вибраного TIM в умовах кінцевого використання має вирішальне значення для його оцінки.

Оскільки вимоги до застосування визначають очікувані умови навколишнього середовища, зазвичай використовуються випробування, адаптовані до застосування, а не стандартний набір випробувань. Проте набори тестів цього типу зазвичай виконуються за подібними сценаріями, включаючи тестування термічної стабільності теплопровідного матеріалу TIM проти послідовних температурних циклів, аналіз впливу високотемпературного нагрівання та тестування HAST впливу швидких змін температури. Як видно з наведених нижче графіків, ці тести забезпечують краще розуміння довгострокової поведінки TIM порівняно зі стандартними тестами циклу живлення, які проводяться за точних умов використання.

Важливість стабільності

Стабільність TIM можна оцінити візуально, визначивши, чи залишився він на місці після закінчення циклу теплового навантаження. Якщо матеріал зміщується під час термічного випробування внаслідок впливу температури або сили тяжіння у вертикальній орієнтації, імовірно, що характеристики продукту також зміняться. Прості випробування можуть включати нанесення продукту між двома підкладками та виявлення будь-якого руху або відокремлення матеріалу під час випробування на термічний удар. Цей найпростіший тест може підкреслити важливість вибору матеріалу TIM, особливо для термопаст. Ці продукти, що не твердіють, призначені для нанесення тонких шарів товщиною приблизно 50-100 мікрон, але часто використовуються з набагато більшою товщиною, що може легко призвести до розшарування або зміщення пасти через виштовхування, що призводить до погіршення ефективності теплопередачі. Ті самі явища не впливають однаково на матеріали зі зміною фази PCM, які виявляють більшу фізичну стабільність, ніж теплопровідні мастила.

У ширшому контексті вибору та стабільності теплопровідного матеріалу важливо згадати, які альтернативні підходи може розглянути проектувальник. Electrolube представила кілька інноваційних продуктів, які пропонують переваги традиційних рішень для розсіювання тепла зі стабільністю, необхідною для застосувань із великими коливаннями теплового впливу. Ці матеріали твердіють лише на поверхні контакту, утворюючи стабільну суміш, яку легко видалити при необхідності. Іншими традиційними продуктами, які забезпечують повне затвердіння високостабільного контактного шару, є однокомпонентні силікони або двокомпонентні епоксидні смоли, але ремонтувати системи, що містять ці типи продуктів, набагато складніше і навряд чи можна досягти низької термічної стійкості традиційних термопаст.

Однак, незалежно від того, як теплопровідний матеріал виглядає після випробувань, найважливішим питанням є те, чи залишився низьким і постійним тепловий опір на стику, оскільки це основний фактор, який впливатиме на роботу пристрою.

PCM найчастіше обирають за їх стабільність і здатність забезпечувати низький термічний опір. Але чому саме вони працюють набагато краще в суворих умовах, ніж традиційна термопаста?

Матеріал зі зміною фази переходить із твердого стану в більш м’який при перевищенні певної температури, зазвичай у діапазоні приблизно 50˚C. Така особливість матеріалу досягається використанням в основі ТІМ полімерного матеріалу замість базової олії. Полімерні ланцюги забезпечують підвищену дисперсійну стійкість термонаповнювача як у твердому, так і в розм’якшеному стані. Це призводить до підвищеної теплопровідності та тривалого низького термічного опору, оскільки матеріал зберігається в стабільнішому стані протягом усього терміну служби в пристрої. З іншого боку, термопасти складаються з базових олій з коротшими молекулярними ланцюгами, які забезпечують чудове змочування при першому нанесенні, але можуть призвести до проблем, включаючи виштовхування через диференціальне теплове розширення, висихання та витік.

Малюнок: Різниця між довголанцюговими та коротколанцюговими полімерними структурами

Іншою важливою властивістю PCM є їх здатність зберігати та вивільняти енергію під час зміни стану. Це призводить до деякого поглинання тепла та захищає пристрій від раптових стрибків температури, наприклад, через різки зміни потужності.

Вирішуючи, яке використання підходить для PCM, важливо знати температури та температурні профілі, яким пристрій буде піддаватися під час роботи. Наприклад, пристрій, який проходить термічний цикл або працює в умовах стабільної температури, потребуватиме іншого TIM для досягнення найкращої продуктивності. Для PCM необхідно враховувати додатковий фактор температури зміни фази. Якщо безперервна робоча температура пристрою нижча за температуру зміни фази, виріб не працюватиме належним чином.

Впровадження нових продуктів

Electrolube нещодавно випустила два нових теплопровідні PCM продукти: TPM350 і TPM550. TPM350 має теплопровідність 3,5 Вт/м·К і придатний для використання при температурі приблизно 50°C. При цій температурі він змінює стан, стаючи матеріалом, який краще відповідає підкладці, мінімізуючи тепловий опір на межі розділу та покращуючи теплопередачу. Після охолодження повертається в початковий стан. Удосконалена формула матеріалу забезпечує мінімальний контактний термічний опір.

TPM550 має вищу теплопровідність 5,5 Вт/мК і температуру розм’якшення 45˚C. Як і TPM350, завдяки своїм тиксотропним властивостям, TPM550 не розтикається, що запобігає виходу матеріалу за межі потрібної області.

Нові PCM не містять силікону, мають діапазон робочих температур від -40 до +125˚C і відповідають вимогам стандарту RoHS. І TPM350, і TPM550 підходять для трафаретного друку, і хоча вони містять невелику кількість розчинника для покращення змочуваності під час нанесення, розчинник швидко випаровується, залишаючи стабільний матеріал на підкладці.

Висновки

PCM-матеріали при нагріванні вище температури фазового переходу стають високотиксотропними рідинами, які працюють так само добре, а іноді навіть краще, ніж традиційні термопасти. Крім того, їх низька температура фазового переходу забезпечує низький термічний опір у широкому діапазоні температур, забезпечуючи мінімальну товщину лінії з’єднання з покращеною стабільністю та стійкістю до витікання. Більшість PCM можна використовувати в існуючих виробничих процесах з мінімальними змінами або без них, забезпечуючи легкий ремонт, зберігаючи ті самі переваги, що й традиційні термопасти. Оскільки PCM забезпечують більшу довгострокову стабільність порівняно з термопастами, вони краще підходять для застосування при високих температурах, де термін служби та надійність продукту можуть бути критичними, наприклад, для автомобільної електроніки чи інверторів вітрових електростанцій. Традиційні теплопровідні пасти та мастила й надалі залишатимуться популярним вибором, хоча в деяких сферах застосування, особливо тих, що потребують більшої тривалої стабільності, матеріал зі зміною фази, ймовірно, візьме верх.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl