Научные статьи

Эффективность применения керамико-полимерных диэлектрических теплопроводящих прокладок с позиционирующей термопастой

  • Опубликовано автором author-avatar
08 Окт

Игорь Леонидович Козловский1, Дмитрий Александрович Ционенко2,
Андрей Валерьевич Лешок3

АННОТАЦИЯ

Разработана модель для оценки термического сопротивления двух плоских поверхностей с заданной шероховатостью, в том числе при наличии между ними прокладок и термопаст, изготовленных из керамико-полимерных теплопроводящих диэлектрических (КПТД) материалов. Определены параметры теплопроводящей прокладки и позиционирующей термопасты, обеспечивающие минимизацию термического сопротивления рассматриваемой системы. Также рассмотрена возможность использования термопасты в качестве позиционирующей смазки. Приведены результаты измерений термического сопротивления системы, состоящей из плоского радиатора, который установлен на поверхности охлаждаемого элемента для случаев, когда отсутствует и теплопроводящая прокладка и термопаста, присутствует только прокладка, присутствует только термопаста, и присутствуют оба теплопроводящих компонента. Результаты измерений термического сопротивления согласуются с оценками, полученными на основе разработанной модели, что подтверждает ее адекватность.

Ключевые слова: термическое сопротивление, теплопроводность, композитные материалы, теплопроводящие прокладки, термопасты, радиоэлектронное оборудование.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие технологий производства компонентов радиоэлектронных средств (РЭС) привело к уменьшению их размеров и повышению скорости обработки информации. С точки зрения физики это означает, что выделяемая в процессе работы РЭС тепловая мощность возрастает, а объем тепловыделяющих элементов и площадь их теплоотдачи уменьшаются. Поэтому обеспечение требуемого температурного режима для компонентов радиоэлектронных схем играет важную роль в обеспечении функционирования РЭС. Это достигается за счет создания таких условий теплообмена, при котором средняя мощность, выделяемая в элементе, должна быть равна мощности, рассеиваемой в окружающую среду [1]—[2]. Эффективность теплопроводящих прокладок, используемых для отвода тепла от нагретых элементов РЭС, определяется их способностью обеспечить необходимое термическое сопротивление системы «нагреватель – теплопроводящая прокладка – радиатор». Термическое сопротивление зависит от коэффициента теплопроводности материала, площади соприкосновения прокладки с поверхностями нагревателя и радиатора, а также толщины теплопроводящего слоя. В реальных условиях все указанные характеристики являются неоднородными, то есть, изменяются в пространстве при переходе от одного локального элемента объема системы к другому, причем изменение зачастую носит случайный характер.

Поскольку поверхности нагревателя и радиатора не являются идеально ровными и гладкими, то, в отсутствии теплопроводящей прокладки, суммарная площадь соприкосновения рассматриваемых поверхностей мала, что существенно затрудняет теплоотвод. На Рис. 1 приведено изображение участка поверхности радиатора, полученное методом электронной микроскопии.

Рисунок 1 – Фотография участка поверхности радиатора, полученная методом электронной микроскопии, и ее характеристики.

Как видно из приведенного на Рис.1 примера, поверхности могут обладать как макроскопическими, так и локальными неровностями. К макроскопическим неровностям будем относить отклонения от плоскостности, определяемые кривизной участков поверхностей и/или их не параллельностью. Характерные размеры макроскопических неровностей, определенные в проекции на плоскость параллельную поверхности, составляют 50…300 мкм. Например, участок поверхности, изображенный на Рис. 1, является вогнутым с радиусом кривизны порядка 230 мкм. К локальным неровностям относятся пики и впадины с размерами 2…5 мкм (в проекции на плоскость, параллельную поверхности) и высотой (глубиной) 1…3 мкм. В качестве примера на Рис. 2 представлен профиль, определенный вдоль линии, выбранной на рассматриваемом участке поверхности.

Рисунок  1 – Линия, выбранная на участке поверхности, и определенный вдоль нее профиль (зависимость высоты точек поверхности от положения на линии).

Для обеспечения малого термического сопротивления контакта поверхностей, одним из требований к теплопроводящим прокладкам, изготовленным из керамико-полимерных теплопроводящих диэлектрических (КПТД) материалов, является их эластичность. Прокладки, обладающие высокой эластичностью, могут заполнить неоднородности поверхностей нагревателя и радиатора, а поскольку коэффициент теплопроводности материала прокладки значительно больше, чем у воздуха, то такое заполнение должно привести к существенному уменьшению термического сопротивления системы «нагреватель – теплопроводящая прокладка – радиатор» по сравнению с системой «нагреватель – радиатор».

ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ЗАДАННОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ ПРИ УСТАНОВКЕ МЕЖДУ НИМИ КПТД ПРОКЛАДКИ

При помещении эластичной теплопроводящей прокладки между поверхностями нагревателя и радиатора и приложении достаточного сжимающего усилия, увеличивается площадь, по которой теплота будет передаваться от нагревателя к радиатору через прокладку. Поскольку усредненный по объему коэффициент теплопроводности прокладки (равный 1..3 Вт/м·К) в 100 раз больше, чем коэффициент теплопроводности воздуха, а толщина прокладки равна порядка 200 мкм [3], что превосходит усредненную толщину исходной воздушной прослойки между поверхностями в 10…20 раз, то введение прокладки между нагревателем и радиатором приведет к уменьшение термического сопротивления рассматриваемой системы в 5…10 раз.

Приведенная выше оценка является оптимистичной и превышает реальное значение, на которое может уменьшиться термическое сопротивление за счет введения прокладки. При оценке полагалось, что эластичная прокладка обеспечит равномерное заполнение всего объема воздушной прослойки между контактирующими поверхностями теплопроводящим материалом. Однако, как было показано в работе [4], для того, чтобы эффективный коэффициент теплопроводности материала прокладки достиг значений 1..3 Вт/м·К, концентрация сферических частиц наполнителя Al2O3 (λн=40 Вт/м·К [5]) в связующем на основе силиконового каучука или геля (λс=0.3 Вт/м·К [5]) должна быть близка к максимальной, равной 54% (по объему), а осколочных частиц 75%. Результаты работы [6] свидетельствуют, что при приближении концентрации частиц наполнителя к максимальной, резко возрастает значение коэффициента упругости материала прокладки, то есть, ее эластичность существенно уменьшается. К тому же, характерный размер частиц наполнителя, который используется для изготовления прокладок толщиной 200 мкм, армированных сеткой из стекловолокна с ячейкой 40 мкм (для обеспечения необходимой прочности), составляет 10…20 мкм. Это обеспечивает требуемую однородность структуры композита и адгезию с армирующей сеткой за счет просачивания частиц наполнителя и связующего через нее. Однако материал, содержащий частицы наполнителя размером 10…20 мкм в высокой концентрации, не может заполнить впадины между локальными пиками на поверхности, поскольку их характерные размеры составляют порядка 1…5 мкм (см. Рис. 2). Использование частиц наполнителя меньшего размера приводит к резкому возрастанию вязкости исходной суспензии. Поскольку жидкое связующее (до процесса полимеризации) смачивает поверхности частиц наполнителя, в суспензии образуются кластеры за счет преобладающего влияния сил поверхностного натяжения.

Отметим, что даже при использовании для изготовления КПТД прокладок частиц, размеры которых меньше, чем расстояние между локальными пиками на поверхности, полное заполнение впадин невозможно без необратимого разрушения связей, создаваемых полимеризованным связующим.

Выводы.

1) Эластичная КПТД прокладка способна устранить влияние макроскопических отклонений поверхностей нагревателя и радиатора от плоскостности, если приложена достаточная сжимающая сила.

2) КПТД прокладка не обеспечивает заполнение полостей вблизи локальных неоднородностей на поверхности.

ТРЕБОВАНИЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ КПТД ТЕРМОПАСТЫ

Рассмотрим возможность применения КПТД термопасты для уменьшения термического сопротивления в области контакта двух соприкасающихся поверхностей, обладающих шероховатостью. В отличие от КПТД прокладки, в термопасте отсутствуют жесткие связи между частицами наполнителя и связующим на молекулярном уровне, образующиеся при полимеризации. В КПТД термопасте частицы наполнителя связаны посредством сил поверхностного натяжения при условии смачивания жидким связующим их поверхностей. Поэтому в данном случае рассматривается не эластичность, как для прокладок, а пластичность и вязкость. Следовательно, заполнение КПТД термопастой локальных неоднородностей не ограничено наличием жестких связей между частицами наполнителя, как это имело место в случае прокладок.

Если при изготовлении термопасты используются частицы наполнителя большого размера, то она сможет устранить влияние только макроскопических отклонений от плоскостности. При таких условиях, преимущество применения термопасты перед прокладкой заключается только в том, что она позволит уменьшить расстояние между соприкасающимися поверхностями до расстояний, равных нескольким диаметрам частиц наполнителя (то есть порядка 20…50 мкм для рассмотренных выше примеров), что существенно меньше толщины прокладки (порядка 200 мкм). То есть, при использовании КПТД термопасты с тем же коэффициентом теплопроводности, что и у КПТД прокладки, термическое сопротивление системы «нагреватель – термопаста – радиатор» будет в 4…8 раз меньше, чем у системы «нагреватель – теплопроводящая прокладка – радиатор» и в 20…80 раз меньше, чем у системы «нагреватель – радиатор».

Рассмотрим возможность заполнения термопастой локальных неоднородностей на поверхностях нагревателя и радиатора. Для реализации этого необходимо, чтобы размеры частиц наполнителя в КПТД термопасте имели характерные размеры меньше, чем характерные размеры локальных неоднородностей. Так, при размерах неоднородностей 2…5 мкм, размеры частиц наполнителя должны быть не более 1 мкм.

Однако, как было отмечено ранее, уменьшение размеров частиц наполнителя приводит к существенному повышению вязкости пасты. Вязкость пасты (как и суспензии для производства прокладок) зависит не только от размеров, но и от формы частиц наполнителя в КПТД термопасте. Использование частиц сферической формы приводит к существенному уменьшению вязкости пасты по сравнению с осколочными частицами. Это связано с тем, что при высокой адгезии связующего с поверхностью осколочной частицы, масса композита, вовлекаемого в движение при перемещении частицы, пропорциональна площади поверхности этой частицы. Поскольку площадь поверхности у осколочных частиц существенно больше, чем у сферических, и они имеют плоские грани, то осколочные частицы образуют конгломераты за счет сил поверхностного натяжения и их перемещение друг относительно друга затруднено. В этом случае усилие, приложенное параллельно поверхности, приводит к движению большого объема термопасты как целого вдоль поверхности. Для термопаст, изготовленных с использованием сферических частиц такой проблемы не возникает, поскольку на минимальном расстоянии друг от друга находятся лишь малые участки поверхностей соседних частиц, что препятствует образованию конгломератов. Однако получение сферических частиц размером 1 мкм и менее является сложным дорогостоящим технологическим процессом, и на практике, как правило, используются частицы осколочной формы, а полученные на их основе термопасты будут обладать большой вязкостью.

Выводы.

1) КПТД термопасты с высокой концентрацией частиц малого размера существенно уменьшают термическое сопротивление соприкасающихся шероховатых поверхностей, если они распределены по поверхности так, чтобы сгладить как макроскопические, так и локальные неоднородности.

2) Такие обладают высокой вязкостью, если связующее смачивает поверхности частиц наполнителя.

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОПАСТЫ В КАЧЕСТВЕ ПОЗИЦИОНИРУЮЩЕЙ СМАЗКИ

Позиционирующая смазка используется для устранения эффектов, связанных с наличием остаточной липкости, характерной для КПТД прокладок, изготовленных с использованием связующего в виде силиконовых гелей. Эти эффекты приводят к залипанию прокладок при их установке между поверхностями нагревателя и радиатора, что не позволяет добиться необходимой точности установки, вызывают коробление прокладок и образование полостей, содержащих воздух, это уменьшает интенсивность теплоотвода от нагревателя. Для выполнения своей основной функции, позиционирующая смазка должна обладать малой вязкостью. Но при нанесении смазки в достаточном количестве на шероховатые поверхности (до установки прокладки), она может выполнять и дополнительную функцию, связанную с уменьшением термического сопротивления системы. Вследствие низкой вязкости, смазка затекает во впадины между локальными пиками на поверхности, устраняя воздушные микро-полости. Поскольку ее коэффициент теплопроводности на порядок больше, чем у воздуха, это приводит к уменьшению термического сопротивления системы «нагреватель – смазка – теплопроводящая прокладка – смазка – радиатор» на 10..30% по сравнению с системой без позиционирующей смазки. При этом введение смазки не приводит к существенному увеличению толщины области теплоотвода (не более чем на десятые доли микрометра), поскольку лишняя позиционирующая смазка выдавливается при приложении сжимающих усилий, прилагаемых в процессе установки прокладки.

Для повышения эффективности позиционирующей смазки с целью уменьшения термического сопротивления системы, следует повысить ее коэффициент теплопроводности. Но, как было установлено выше, использование КПТД термопасты с высоким коэффициентом теплопроводности в качестве позиционирующей смазки невозможно, поскольку она имеет высокую вязкость. Это связано с тем, что для обеспечения большого значения коэффициента теплопроводности, концентрация частиц наполнителя должна быть высока, а для заполнения впадин между локальными пиками, частицы должны иметь малые размеры. Термопасты с малой вязкостью характеризуются малой концентрацией примесей, и их коэффициент теплопроводности мало отличается от коэффициента теплопроводности чистого полимерного связующего [4], [7].

Проблема может быть решена, если в качестве связующего использовать материал, который не смачивает поверхности частиц наполнителя, либо обрабатывать поверхность частиц наполнителя веществами, предотвращающими смачивание. Это, с одной стороны, приведет к уменьшению вязкости за счет устранения условий, при которых образуются конгломераты большого объема, состоящие из слипшихся частиц наполнителя. Но, с другой стороны, полученная суспензия не будет однородной. Именно неоднородность суспензии, полученной при не смачивании связующим частиц наполнителя, позволит осуществить осаждение этих частиц в областях локальных неоднородностей, а свободная от частиц наполнителя жидкость будет играть роль позиционирующей смазки. Описанная выше структура схематически изображена на Рис. 3.

Вторым способом решения проблемы является обеспечение текучести поверхностных слоев прокладки. Этого можно добиться, создав условия, при которых полимеризация связующего на поверхности прокладки не реализуется на глубину 1-3 мкм. Экспериментально установлено, что введение глицерина в количестве 5% по объему в суспензию, из которой формируется КПТД прокладка, препятствует полимеризации связующего. Поскольку полимеризация должна быть подавлена только в поверхностном слое прокладки толщиной порядка 1-3 мкм, предлагается наносить глицерин на технологическую пленку слоем толщиной порядка десятых долей микрона. Образовавшийся не полимеризованный слой на поверхности прокладки будет играть роль позиционирующей смазки. Он обеспечит заполнение материалом локальных неоднородностей (при малых размерах частиц наполнителя) и предотвратит отслоение композита от армирующей сетки при снятии технологической пленки с поверхностей прокладки.

Рисунок 3 – Схематическое представление профиля шероховатой поверхности нагревателя и/или радиатора при заполнении локальных неоднородностей частицами наполнителя и образовании жидкой пленки полимерного связующего на поверхности.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РАССМАТРИВАЕМОЙ СИСТЕМЫ

Учитывая, что прокладки обладают достаточной механической прочностью, их применение является целесообразным в случаях, когда нужно обеспечить фиксированное расстояние и жесткую связь между поверхностями нагревателя и радиатора, а также надежную защиту от электрического пробоя.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Эффективный коэффициент теплопроводности композита, армированного волокнами // Изв. вузов. Машиностроение. – 2013. № 5. С. 75-81.
  2. Михеев В. А., Сулаберидзе В. Ш., Мушенко В. Д. Исследование теплопроводности композиционных материалов на основе силикона с наполнителями // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 7. – С. 571-575.
  3. Номакон Евролиния [электронный ресурс] Термическое сопротивление КПТД-материалов. Режим доступа https://nomacon.by/ru/production/thermally-conductive-dielectric-elastic-materials/ Дата обращения 16.08.2024.
  4. Ционенко Д.А., Козловский И.Л. Методика для расчета коэффициента теплопроводности композиционных материалов. // Электроника: Наука. Технологии. Бизнес. – 2024. – №2 – С.53-61.
  5. TermalInfo [электронный ресурс] Свойства оксида алюминия Al2O3 и магния MgO. Режим доступа http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/oksidy/svojstva-oksida-alyuminiya-al2o3-i-magniya-mgo. Теплофизические свойства, теплопроводность силикона. Режим доступа http://thermalinfo.ru/svojstva-zhidkostej/organicheskie-zhidkosti/teplofizicheskie-svojstva-teploprovodnost-silikona Дата обращения 01.09.2025.
  6. Тарасик В. Н., Козловский И.Л., Ционенко Д.А., Лешок А.В. Анализ механических и теплопроводящих свойств керамико-полимерных диэлектрических материалов // Электроника: Наука. Технологии. Бизнес. – 2024. – Вып. 8 – С.34-38.
  7. Кац Д.С., Милевски Д.В. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие: Пер. с англ. – М. Химия, 1981 – 736 с.