Тепловые циклы стыка

Основная задача термоинтерфейса — заполнить микронеровности и воздушные зазоры между поверхностями, которые неизбежно возникают из-за шероховатости материалов. Поскольку воздух обладает очень низкой теплопроводностью, такие зазоры существенно ухудшают теплоотвод.

Термоинтерфейс вытесняет воздух из зоны контакта и формирует более эффективный теплопроводящий путь между источником тепла и радиатором, тем самым снижая тепловое сопротивление и улучшая охлаждение устройства.

Виды термоинтерфейсов

Существует множество разновидностей теплопроводящих материалов, включая:

• пасты
• заливочные компаунды
• листы и прокладки
• гели
• термоклеи
• плёнки и ленты
• припои
• материалы с фазовым переходом

По составу такие материалы обычно представляют собой полимерную матрицу, заполненную теплопроводящими наполнителями, например:

• керамическими частицами
• оксидами металлов
• алюминием
• графитом.

Наиболее распространённой основой для многих термоинтерфейсов является силикон, однако также применяются и несиликоновые системы, используемые в специализированных электронных устройствах.

Теплопроводящие материалы (термоинтерфейсы) используются для передачи тепла от нагревающихся компонентов — микросхем, силовых модулей, транзисторов — к радиатору или теплоотводящей конструкции. Их задача — уменьшить тепловое сопротивление между источником тепла и системой охлаждения.

Эффективность такого материала определяется двумя основными характеристиками:

• теплопроводностью   
• тепловым сопротивлением   

Теплопроводность

Теплопроводность (λ) — это физическое свойство материала, характеризующее его способность проводить тепло.

Передача тепла происходит за счёт:

• колебаний атомов в кристаллической решётке
• движения электронов (в металлах)

и возникает при наличии разности температур.

Единица измерения теплопроводности:

Вт/(м·К)

Чем выше теплопроводность материала, тем эффективнее он передаёт тепловую энергию.

Примеры:

Материал	Теплопроводность
Медь	~400 Вт/(м·К)
Алюминий	~200 – 230 Вт/(м·К)
Термопрокладки	~1 – 10 Вт/(м·К)
Воздух	~0,024 Вт/(м·К)

Воздух является очень плохим проводником тепла, поэтому даже микроскопические воздушные зазоры между поверхностями резко ухудшают теплоотвод.

Именно поэтому в электронике применяются термоинтерфейсы, которые заполняют неровности поверхности и вытесняют воздух из контактной зоны.

Важно понимать, что теплопроводность — это свойство самого материала, и она не зависит от формы, размера или толщины изделия.

Тепловое сопротивление

Хотя теплопроводность важна, на практике эффективность теплоотвода определяется тепловым сопротивлением слоя материала.

Тепловое сопротивление показывает, насколько сильно слой материала препятствует прохождению теплового потока.

Для однородного слоя материала оно определяется выражением:

где:

• R — тепловое сопротивление
• t — толщина материала
• λ — теплопроводность

Единица измерения:

м²·К/Вт

Из формулы видно, что тепловое сопротивление зависит от:

• теплопроводности материала
• толщины слоя

Поэтому даже материал с высокой теплопроводностью может плохо отводить тепло, если его слой слишком толстый.

Контактное тепловое сопротивление

Помимо сопротивления самого материала, существенную роль играет контактное тепловое сопротивление.

Оно возникает на границах:

• источник тепла — термоинтерфейс
• термоинтерфейс — радиатор

Реальные поверхности никогда не являются идеально гладкими. Между ними присутствуют:

• микронеровности
• пустоты
• воздушные зазоры

Поскольку воздух имеет крайне низкую теплопроводность, такие зазоры значительно ухудшают теплообмен.

Использование мягких и эластичных термоинтерфейсов позволяет:

• заполнить микронеровности
• вытеснить воздух
• уменьшить контактное тепловое сопротивление.

Тепловой импеданс

Тепловой импеданс — это суммарное сопротивление теплопередаче всей системы.

Он включает:

• сопротивление контакта с источником тепла
• сопротивление материала
• сопротивление контакта с радиатором

Именно суммарный тепловой импеданс определяет реальную эффективность теплоотвода.

Практический вывод

При выборе теплопроводящего материала важно учитывать не только его теплопроводность, но и ряд основных факторов, влияющих на эффективность теплоотвода:

• толщину термоинтерфейса
• контактное тепловое сопротивление
• шероховатость и плоскостность поверхностей
• давление прижима
• рабочие температуры
• эластичность и сжимаемость материала
• долговременную стабильность материала (высыхание, усадка)

Даже небольшое снижение суммарного теплового сопротивления может существенно улучшить температурный режим устройства и повысить его надёжность. Известно, что повышение температуры p-n перехода микросхемы всего на 10 °C может примерно вдвое увеличить вероятность отказа устройства.

Поэтому правильный выбор термоинтерфейса является важным фактором обеспечения долговечности и стабильной работы электронных систем.

Распределение тепла

В электронных устройствах тепло обычно выделяется в небольших локальных областях, например в кристалле микросхемы или силовом транзисторе.

Если тепло не распределяется по большей площади, возникают локальные перегревы, которые могут привести к:

• снижению эффективности работы устройства
• ускоренному старению компонентов
• выходу оборудования из строя.

Поэтому важной задачей является распространение тепла от источника к более крупным теплоотводящим поверхностям, таким как:

• теплоотводящие пластины
• металлические корпуса
• радиаторы.

Отвод тепла

После распределения тепла по поверхности конструкции необходимо обеспечить его эффективное удаление в окружающую среду.

Это может происходить за счёт:

• естественной или принудительной конвекции воздуха
• использования радиаторов
• жидкостного охлаждения
• тепловых трубок и других теплопередающих элементов.

Если скорость генерации тепла превышает способность системы охлаждения рассеивать его, температура устройства начинает повышаться.

Важность правильной конструкции

На практике эффективное охлаждение достигается за счёт комплексного подхода, который включает:

• оптимальное распределение тепла внутри конструкции
• эффективную передачу тепла к радиатору
• достаточную площадь теплообмена с окружающей средой.

Во многих случаях правильная компоновка устройства и эффективное распределение тепла позволяют значительно снизить требования к системе охлаждения.

Практический вывод

Наиболее эффективное управление температурой достигается при совместной оптимизации распределения и отвода тепла. Правильная конструкция теплового пути позволяет уменьшить локальные перегревы и обеспечить стабильную работу электронных устройств.

Теплопроводность материалов определяется механизмами переноса тепловой энергии. Основными переносчиками тепла являются:

• электроны (в металлах)
• фононы — колебания кристаллической решётки (в диэлектрических материалах).

Изменение температуры влияет на эти процессы по-разному для различных типов материалов.

Металлы

В металлах тепло в основном переносится свободными электронами.

При повышении температуры усиливается рассеяние электронов на колебаниях кристаллической решётки, что уменьшает их среднюю длину свободного пробега. В результате теплопроводность большинства металлов уменьшается с ростом температуры.

Неметаллические твёрдые материалы

В диэлектриках и керамиках тепло переносится главным образом фононами — колебаниями кристаллической решётки.

Зависимость теплопроводности от температуры в таких материалах может быть сложной и зависит от структуры материала, наличия дефектов и механизма рассеяния фононов. В ряде случаев теплопроводность может сначала увеличиваться с ростом температуры, а затем уменьшаться.

Газы

В газах теплопроводность определяется движением молекул.

С повышением температуры скорость движения молекул увеличивается, что приводит к более интенсивному переносу энергии между ними. Поэтому теплопроводность газов обычно возрастает при повышении температуры.

Фазовые переходы

При фазовых переходах теплопроводность может существенно изменяться.

Например, при переходе вещества из твёрдого состояния в жидкое его теплопроводность обычно снижается, поскольку структура материала становится менее упорядоченной.

Анизотропные материалы

Некоторые материалы обладают анизотропной теплопроводностью, то есть их способность проводить тепло зависит от направления в кристаллической структуре.

В таких материалах теплопроводность может значительно различаться вдоль разных осей кристалла и изменяться с температурой. Примером являются сапфир, графит и некоторые керамические материалы.

Практический вывод

Поскольку теплопроводность материалов может существенно зависеть от температуры, при выборе термоинтерфейса важно учитывать рабочий температурный диапазон устройства и реальные условия эксплуатации.

Это позволяет более точно оценить эффективность теплоотвода и обеспечить стабильную работу электронных систем.

Теплопроводность

Теплопроводность характеризует способность материала передавать тепловую энергию при наличии температурного градиента.

Она измеряется в:

Вт/(м·К)

Чем выше теплопроводность материала, тем эффективнее он может проводить тепло между нагревающимся компонентом и системой охлаждения.

Однако высокая теплопроводность сама по себе не гарантирует эффективного теплоотвода — важную роль также играют толщина материала и качество контакта между поверхностями.

Способность заполнять неровности

Реальные поверхности никогда не являются идеально гладкими. Между ними присутствуют микронеровности и полости, заполненные воздухом, который обладает крайне низкой теплопроводностью.

Поэтому важным свойством термоинтерфейса является его способность заполнять микронеровности поверхности и вытеснять воздух из зоны контакта.

Это свойство зависит от:

• вязкости материала
• его эластичности и сжимаемости
• давления прижима между поверхностями.

Чем лучше материал заполняет микро полости, тем ниже будет контактное тепловое сопротивление при условии соблюдения других условий эффективного теплоотвода.

Толщина слоя

Толщина термоинтерфейса напрямую влияет на тепловое сопротивление. Для однородного слоя материала тепловое сопротивление определяется соотношением:

где

• R — тепловое сопротивление
• t — толщина слоя
• λ — теплопроводность.

Поэтому при прочих равных условиях чем меньше толщина слоя термоинтерфейса, тем эффективнее происходит передача тепла.

Площадь контакта

Тепловое сопротивление зависит и от площади, через которую проходит тепло.

Для слоя материала используется более полная форма:

где

• t — толщина
• λ — теплопроводность
• A — площадь контакта.

Чем больше площадь контакта, тем ниже тепловое сопротивление.

Дополнительные критерии выбора

Технологичность применения

Различные типы термоинтерфейсов отличаются удобством нанесения и монтажа.

Например:

• термопасты и гели хорошо заполняют микронеровности, но требуют аккуратного дозирования и могут усложнять производственный процесс;
• теплопроводящие листы и прокладки проще в монтаже и обеспечивают стабильную толщину слоя, но не всегда могут заполнить все неровности и зазоры.

Выбор зависит от требований к производственному процессу и конструкции устройства.

Стоимость

Стоимость термоинтерфейса обычно возрастает с увеличением его теплопроводности. Это связано с усложнением технологий производства и использовании более дорогого сырья.

При выборе термоинтерфейса следует учитывать баланс между тепловыми характеристиками материала и его стоимостью. Применение материалов с максимально высокой теплопроводностью не всегда экономически оправдано, поскольку требуемую эффективность теплоотвода часто можно обеспечить за счёт оптимизации толщины интерфейса, улучшения контактных условий и правильного выбора типа материала.

Сжимаемость и давление прижима

Для эффективной работы термоинтерфейса необходимо обеспечить достаточное давление между контактирующими поверхностями.

Менее твёрдые и эластичные материалы позволяют:

• лучше компенсировать неровности поверхности
• снизить контактное тепловое сопротивление
• работать при меньших усилиях прижима

Это особенно важно в конструкциях с ограниченным механическим давлением.

Практический вывод

Оптимальный выбор термоинтерфейса требует учета сразу нескольких факторов: теплопроводности материала, толщины слоя, способности заполнять микронеровности, условий монтажа и стоимости решения.

Только комплексный анализ этих параметров позволяет обеспечить эффективный теплоотвод и надёжную работу электронного устройства.

Толщина слоя

Толщина материала напрямую влияет на тепловое сопротивление теплового интерфейса.

Даже материал с высокой теплопроводностью может работать неэффективно при слишком большой толщине слоя. Поэтому при проектировании стремятся использовать минимально необходимую толщину, обеспечивающую заполнение неровностей поверхности.

Плотность и структура материала

Плотность и внутренняя структура материала оказывают значительное влияние на его теплопроводность.

Материалы с более плотной структурой обычно обладают более высокой теплопроводностью, поскольку атомы и молекулы расположены ближе друг к другу, что облегчает передачу тепловой энергии.

Давление при монтаже

При использовании термоинтерфейсов важную роль играет давление прижатия между поверхностями.

При увеличении давления:

• уменьшается количество воздушных зазоров
• улучшается контакт между поверхностями
• снижается контактное тепловое сопротивление.

Это особенно важно при использовании теплопроводящих прокладок и паст.

Содержание влаги

В пористых материалах влажность может заметно влиять на теплопроводность.

Вода проводит тепло значительно лучше воздуха, поэтому увеличение влажности может временно повысить теплопроводность материала. Однако в большинстве электронных устройств стараются минимизировать влияние влаги из-за рисков коррозии и деградации материалов.

Фазовое состояние материала

Теплопроводность сильно зависит от фазового состояния вещества.

Например, при переходе из твёрдого состояния в жидкое теплопроводность обычно уменьшается из-за более хаотичной структуры вещества.

Старение материалов

Со временем теплопроводящие материалы могут изменять свои свойства под воздействием:

• температурных циклов
• механических нагрузок
• окисления и химических процессов.

Это может приводить к изменению структуры материала, образованию пустот или ухудшению контакта между поверхностями, что увеличивает тепловое сопротивление.

Практический вывод

Эффективность теплоотвода определяется не только теплопроводностью материала, но и условиями его применения — толщиной слоя, качеством контакта между поверхностями, давлением при монтаже и стабильностью свойств материала в процессе эксплуатации.

Поэтому при проектировании систем охлаждения важно учитывать весь комплекс факторов, влияющих на теплопередачу.

Эффективность теплоотвода в электронных устройствах определяется несколькими ключевыми параметрами.

Теплопроводность материала

Материал термоинтерфейса должен обладать достаточной теплопроводностью для эффективной передачи тепла от источника к радиатору. Однако высокая теплопроводность сама по себе не гарантирует эффективного теплоотвода — большое значение имеют условия контакта между поверхностями.

Качество контакта между поверхностями

Одним из наиболее важных факторов является устранение воздушных зазоров в зоне контакта. Даже небольшие полости, заполненные воздухом, значительно увеличивают тепловое сопротивление, поскольку воздух обладает крайне низкой теплопроводностью.

Термоинтерфейс должен обеспечивать:

• равномерное распределение материала
• заполнение микронеровностей поверхностей
• стабильный контакт между элементами.

Толщина слоя материала

Толщина термоинтерфейса напрямую влияет на тепловое сопротивление теплового пути.

При прочих равных условиях чем тоньше слой материала, тем ниже тепловое сопротивление и эффективнее передача тепла.

Однако слой должен оставаться достаточно толстым и эластичным, чтобы компенсировать неровности поверхностей и полностью вытеснить воздух из контактной зоны.

Отсутствие пустот и дефектов

Для эффективного теплообмена важно, чтобы в термоинтерфейсе отсутствовали:

• воздушные включения
• пустоты
• неравномерности распределения материала.

Такие дефекты могут значительно увеличить тепловое сопротивление интерфейса.

Необходимость экспериментальной проверки

Реальная эффективность теплоотвода определяется совокупностью факторов:

• теплопроводностью материала
• толщиной слоя
• давлением прижима
• качеством обработки поверхностей
• геометрией конструкции.

Поэтому испытания и тепловые измерения готовой сборки являются наиболее надёжным способом оценки эффективности системы охлаждения.

Практический вывод

Наиболее эффективным решением является термоинтерфейс, обеспечивающий минимальное суммарное тепловое сопротивление теплового пути. Это достигается за счёт правильного выбора материала, оптимальной толщины слоя и обеспечения качественного контакта между поверхностями.

Правильно подобранный термоинтерфейс позволяет повысить надёжность и долговечность электронных устройств за счёт поддержания стабильного температурного режима.

Термоциклирование и механические напряжения

В процессе эксплуатации электронные устройства постоянно испытывают изменения температуры. Различные материалы конструкции — корпус микросхемы, термоинтерфейс и радиатор — имеют разные коэффициенты теплового расширения.

При нагреве и охлаждении это приводит к возникновению механических напряжений в зоне контакта, которые могут:

• нарушать контакт между поверхностями
• изменять распределение термоинтерфейса
• увеличивать тепловое сопротивление интерфейса.

Образование пустот

Под воздействием механических нагрузок или длительной эксплуатации в термоинтерфейсе могут возникать:

• воздушные полости
• локальные зоны отслоения
• неравномерное распределение материала.

Появление таких дефектов значительно увеличивает тепловое сопротивление интерфейса и может привести к повышению температуры электронных компонентов.

Эффект выдавливания материала (pump-out)

В некоторых типах термоинтерфейсов, особенно пастах и гелях, при многократных циклах нагрева и охлаждения может происходить постепенное выдавливание материала из зоны контакта.

Это явление известно как pump-out эффект.

В результате:

• уменьшается количество материала в контактной зоне
• появляются пустоты
• увеличивается тепловое сопротивление.

Влияние механических свойств материала

Материалы, которые сохраняют эластичность и стабильность свойств во всём рабочем температурном диапазоне, обычно демонстрируют более высокую долговременную надёжность.

Такие материалы лучше компенсируют:

• тепловое расширение компонентов
• вибрационные нагрузки
• механические деформации конструкции.

Практический вывод

При выборе термоинтерфейса важно учитывать не только его начальные тепловые характеристики, но и долговременную стабильность свойств.

Материалы, способные сохранять эластичность и контакт между поверхностями при многократных температурных циклах, обеспечивают более надёжную работу системы охлаждения и увеличивают срок службы электронных устройств.

Полная или частичная заливка электронной платы в корпусе является основным направлением применения компаундов КПТД-1. Максимальная толщина слоя компаунда при заливке, как правило, не превышает 4 – 6 мм. При правильном подборе заливочной вязкости и технологии нанесения компаунда возможна проливка зазоров между платой и корпусом шириной от 0,1 – 0,3 мм.

Технологический процесс

Основные операции технологического процесса заливки изделий в корпусе:

1. Подготовка поверхностей корпуса и платы (очистка, обезжиривание, нанесение грунтовки-подслоя);
2. Приготовление компаунда: вымешивание компонентов А и Б в исходной таре до равномерной консистенции, дозирование компонентов А и Б по массе в емкость приготовления компаунда, смешивание;
3. Заливка приготовленного компаунда в корпус с электронной платой;
4. При заливке электронной платы в корпусе, как правило, осуществляется обработка последнего на вибростоле для заполнения компаундом микрощелей и выхода пузырьков воздуха (заполнение газовых полостей), обработка в вакуумной камере для выхода микропузырьков воздуха, выдерживание в термокамере при 60 – 85 °С для быстрого отверждения компаунда.

Пример выбора компаунда

При выборе компаунда для корпусной заливки важно учитывать два параметра: заливочную вязкость и теплопроводность. Эти характеристики определяют, насколько хорошо материал заполняет зазоры и отводит тепло.

Рассмотрим два компаунда: КПТД-1/1Л-2,5 (К1/90) и КПТД-1/1Т-12,5 (К4).

К1/90 имеет заливочную вязкость в 5 раз ниже, чем К4. Поэтому он способен заполнять более узкие конструктивные зазоры — от 0,35 мм, тогда как для К4 требуется зазор не менее 1 мм.

При этом теплопроводность К4 в 1,6 раза выше, чем у К1/90. Однако при корпусной заливке важна не только теплопроводность материала, но и фактическая толщина слоя.

При толщине слоя 0,35 мм для К1/90 удельное термическое сопротивление составляет 7,17 (К·см²)/Вт. Для К4 при толщине слоя 1,0 мм оно составляет 12,72 (К·см²)/Вт.

Таким образом, при небольших зазорах К1/90 может обеспечить более эффективный теплоотвод за счёт возможности формирования более тонкого слоя.

Итоговые рекомендации

Для корпусной заливки с минимальными зазорами целесообразно рассматривать компаунд КПТД-1/1Л-2,5 (К1/90). В приведённом примере его применение обеспечивает в 1,8 раза более высокий теплоотвод, чем К4. Кроме того, за счёт меньшей минимальной толщины слоя и плотности массовый расход К1/90 оказывается в 3,7 раза ниже.

Для процессов заливки и капсулирования с заданной толщиной слоя, где толщина не зависит от заливочной вязкости, ключевым параметром становится теплопроводность компаунда: чем выше теплопроводность, тем ниже термическое сопротивление слоя.

С учётом этих факторов:

• КПТД-1/1Л-2,5 (К1/90) и КПТД-1/1Т-5,5 (К1) — для корпусной заливки, в том числе при небольших зазорах;
• КПТД-1/3Л-10,5 (К6) и КПТД-1/3Т-15,0 (К7) — для заливки с нормируемыми зазорами и капсулирования.

Капсулирование – это сплошное или частичное нанесение слоя компаунда только на поверхность самой электронной платы. При капсулировании толщина слоя компаунда, как правило, не превышает 0,5 – 1,0 мм.

В условиях массового производства при существенных габаритах заливаемых изделий преимущества капсулирования очевидны: наименьший по сравнению с полной заливкой в корпусе расход компаунда, полный контроль качества покрытия после отверждения, возможность извлечения капсулированного изделия из корпуса для проверки работоспособности и замены. Опыт полного капсулирования электронных плат показывает, что покрытие КПТД-1 обеспечивает степень защиты оболочки IP68 (длительное время работы под водой на глубине более 1 м).

Технологический процесс

Основные операции технологического процесса капсулирования изделий:

1. Подготовка поверхности платы и электронных элементов: чистка, обезжиривание, нанесение грунтовки-подслоя, сушка;
2. Приготовление компаунда: вымешивание компонентов А и Б в исходной таре до равномерной консистенции, дозирование компонентов А и Б по массе в емкость приготовления компаунда, смешивание;
3. Дозирование компаунда на каждую плату;
4. Распределение компаунда по плате специальной автоматической дозирующей головкой или вручную кистью;
5. Выдерживание покрытой платы в термокамере при 60 – 85 °С для быстрого отверждения компаунда;
6. Визуальный контроль качества покрытия;
7. Выборочный ультразвуковой контроль толщины покрытия.

Автоматизированные системы заливки

В настоящее время процессы заливки в корпус и капсулирования достаточно автоматизированы с применением специальных двухкомпонентных дозаторов для дозирования по объему (массе) смешивания и подачи компаунда, а также координатных роботов для позиционирования подающей головки дозатора. Преимущество автоматизированных систем нанесения заключается в возможности полной интеграции в конвейерную линию при массовом производстве, а также в возможности работы в полуавтоматическом режиме при наличии оператора и устройства дозирования в виде ручного пистолета.

Среди производителей двухкомпонентных дозаторов следует выделить оборудование фирмы SECMER серии DOSAMIX, серии PU и RIM, системы дозирования PD44 и PR70 фирмы Graco, системы дозирования Liquid Control LC120FR, Liquid Control MINI, IJ30C, IJ40C компании Fisnar Liquid Control.

Возможности перечисленных дозирующих систем позволяют использовать компоненты А и Б с различной вязкостью, включая силиконы с различными наполнителями при соотношении смешивания от 1:1 до 100:1.

Опыт применения компаундов КПТД-1 на автоматизированных технологических участках заливки показал их полное соответствие требованиям данного дозирующего оборудования по точности смешивания и дозирования.

Модель расчёта

Для оценки теплопроводящих свойств компаундов КПТД-1 применяется математическая модель расчета термического сопротивления. В данном случае суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R включает термическое сопротивление на границе «теплоотдающая контактная поверхность – поверхность слоя компаунда» R1S , термическое сопротивление, зависящее от толщины δ и теплопроводности λ слоя компаунда δ/λ , а также термическое сопротивление на границе «поверхность слоя компаунда – теплопринимающая контактная поверхность» R2S.

При заливке и полимеризации между контактными поверхностями поверхность компаунда даже на микроуровне в основном полностью повторяет контур контактной поверхности, что значительно снижает суммарное удельное контактное термическое сопротивление RS.

Коэффициенты и данные

Для расчета термического сопротивления слоя компаунда RF следует принимать следующие значения эмпирических коэффициентов:

• компаунды КПТД-1 легкого наполнения (Л) RS = 0,17 (К⋅см²)/Вт
• компаунды КПТД-1 тяжелого наполнения (Т) RS = 0,22 (К⋅см²)/Вт

При этом значение теплопроводности λ для конкретной марки компаунда берется из таблицы «Технические характеристики», или из удостоверения о качестве, которое прилагается к поставляемой продукции.

Пример выбора

Пример 1. Плата контроллера двигателя с целью комплексного отвода тепла и герметизации от внешней среды вклеивается компаундом КПТД-1/1Т-12,5 в алюминиевый корпус, имеющий внешний воздушный радиатор. Средняя толщина слоя компаунда между платой и корпусом после полимеризации δ составляет 0,35 мм, площадь теплоотдающей поверхности F микропроцессора на плате составляет 10,5 см². Требуется определить термическое сопротивление слоя компаунда RF для оценки достаточности теплоотвода от микропроцессора на корпус контроллера, а также рассчитать перепад температур ΔT между поверхностью микропроцессора и корпусом при значении отводимой тепловой мощности Q = 15 Вт.

Принимаем значение RS = 0,22 (К⋅см²)/Вт для компаундов тяжелого наполнения;

Из удостоверения о качестве принимаем значение теплопроводности компаунда λ = 0,84 Вт/(м⋅K);

Рассчитываем R = RS + δ / λ R = 4,39 (К⋅м2)/Вт;

Определяем значение RF по формуле 4: RF = 0,418 К/Вт ;

Рассчитываем перепад температур, используя формулу 1: ΔT = RF ⋅ Q ΔT = 6,3 °С

Итоговые рекомендации

Альтернативный расчет

Для примера 1 при применении компаунда КПТД-1/3Т-15,5 (К7) имеем:

• λ = 1,27 Вт/(м⋅K)
• R = 2,98 (К⋅м2)/Вт
• RF = 0,283 К/Вт
• ΔT = 4,3 °С

Вывод: Использование компаунда с более высокой теплопроводностью (К7) позволяет снизить термическое сопротивление и перепад температур почти на 2 °C (с 6,3°C до 4,3°C) при тех же условиях. Выбор между марками зависит от требуемого баланса между теплопроводностью, технологичностью нанесения и стоимостью решения.

1. Компоненты А и Б компаундов КПТД-1 смешивают непосредственно перед применением. Для компаундов с соотношением компонентов А и Б 1:1 на 1 массовую часть компонента А добавляют 1 массовую часть компонента Б. Для компаундов с соотношением компонентов А и Б 25 – 35:1 на 25 – 35 массовых частей компонента А добавляют 1 массовую часть компонента Б. При хранении более 60 дней с даты изготовления возможно изменение времени жизнеспособности компаунда из-за частичной утраты катализатором своих свойств. В данном случае необходима предварительная проверка и корректирование времени жизнеспособности.
2. Перед применением компоненты А и Б компаундов с соотношением компонентов 1:1, или компонент А компаундов с соотношением компонентов 25 – 35:1 должны быть тщательно перемешаны в таре изготовителя (см. рисунок 1). Наличие осадка, а также пигментных пятен на поверхности при хранении не является выбраковочным фактором. Осадок и пигментные пятна должны распределяться и исчезать при последующем перемешивании. Допускается смешение компонентов А и Б с растворителем бензином типа БР-2 ТУ 38.401-67-108 или нефрасом С2 – 80/120 по ТНПА изготовителя для достижения требуемой заливочной вязкости (консистенции) в соотношении на 100 весовых частей компонента А или Б не более 3 весовых частей растворителя.
3. Смешение компонентов А и Б при приготовлении компаунда должно выполняться при тщательном перемешивании в течение не менее 1 – 2 минут. Технология применения компаундов КПТД-1 должна исключать возможность попадания пузырьков воздуха, частиц пыли и прочих посторонних включений в материал при заливке изделий.
4. Поверхности, подлежащие нанесению КПТД-1, тщательно очищают от пыли, грязи и другого сора волосяными щетками, тканевыми салфетками или с помощью обдува сжатым воздухом. Для удаления влаги, следов минеральных масел, а также жировых пятен и других загрязнений поверхности обезжиривают тканью, смоченной в растворителе бензине БР-2, нефрасе С2 – 80/120 или в спирте изопропиловом ТУ 2632-015-11291058. После обработки растворителем поверхности тотчас же протирают сухой чистой тканью насухо или высушивают на воздухе и в термошкафу. Затем в таком же порядке проводят вторичное обезжиривание.
5. Компаунд наносится на покрываемые поверхности шпателем, шприцем, дозирующей головкой или другими заливочными приспособлениями различного профиля (см. рисунок 2).
6. Для достижения заданной прочности связи компаунда с поверхностью при отслаивании поверхности металлических изделий должны быть подготовлены в соответствии с ГОСТ 21981. При нанесении КПТД-1 на поверхности прочих полимерных или керамических изделий адгезионные свойства не нормируются. В данном случае адгезионные свойства КПТД-1 согласуются с потребителем или определяются потребителем самостоятельно.
7. Прочность связи материалов КПТД-1 с поверхностью может быть увеличена путем нанесения на предварительно подготовленную поверхность подслоя (праймера) типа П-11 или П-12Э ТУ 38.103-04-06-90, SS4120, SS4155 фирмы GE Silicones, Ambersil Primer №3 фирмы Ambersil Silicones, Dow Corning 1200 RTV Prime Coat фирмы Dow Corning. Следует учитывать, что адгезионные свойства компаундов проявляются в полной мере в течение 2 – 14 суток после полимеризации.
8. С целью обеспечения качества покрытия полимеризация КПТД-1 до потери жизнеспособности должна производиться преимущественно при комнатной температуре, полная полимеризация должна осуществляется при температурах от плюс 15ºС до плюс 70ºС.
9. Применение компаундов осуществляется путем частичной или полной заливки изделий (см. рисунок 3 и 4), а также нанесением на поверхность в виде теплопроводящего изолирующего от внешней среды или герметизирующего слоя – капсулированием (см. рисунок 2). При этом толщина слоя компаунда составляет, как правило, 0,5 – 1,0 мм, а линейные усадки не превышают 0,1 – 1,5 %.
10. За счет остаточной эластичности и минимальной усадки даже высоконаполненные компаунды КПТД-1 не создают после полимеризации остаточных напряжений, приводящих к механическим повреждениям компонентов электронных плат. Таким образом, полная заливка изделий в корпуса (см. рисунок 4) гарантирует надежную герметизацию от внешней среды, дополнительную электрическую изоляцию, высокую стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам, а также эффективный теплоотвод одновременно от всех элементов платы через компаунд на корпус изделия и в окружающую среду.
11. Применение компаундов КПТД-1 не исключает возможность осуществления ремонта залитых изделий. Благодаря эластичности и сравнительно невысокой механической прочности слой компаунда достаточно легко вскрывается пластмассовой отверткой или шпателем, а также режется ножом. Места вскрытия и восстановленные элементы затем опять заливаются компаундом (желательно той же марки) с гарантированной адгезией к предыдущему слою.

Модель расчёта

Для оценки теплопроводящих свойств применяется математическая модель расчета термического сопротивления, представленная в разделе «Термическое сопротивление КПТД-материалов». В данном случае суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R включает термическое сопротивление на границе «теплоотдающая контактная поверхность – поверхность прокладки» R1S, термическое сопротивление, зависящее от толщины δ и теплопроводности λ материала прокладки δ/λ, а также термическое сопротивление на границе «поверхность прокладки – теплопринимающая контактная поверхность» R2S.

Следует отметить, что за счет конформной поверхности и эластичности термическое сопротивление материалов КПТД-2 стабилизируется уже при напряжении сжатия 0,5 – 0,7 МПа. При применении одностороннего липкого слоя (ЛК) или позиционирующей смазки (ЛП) суммарное удельное контактное термическое сопротивление уменьшается (см. величину R0S).

Коэффициенты и данные

Ниже представлены расчетные значения термических сопротивлений типовых прокладок для различных марок материалов КПТД-2, полученные при следующих значениях эмпирических коэффициентов:

• Материал листовой КПТД-2/1: RS = 0,90 (К⋅см²)/Вт, R0S = 0,58 (К⋅см²)/Вт, λ = 0,87 Вт/(м⋅K);
• Материал листовой КПТД-2/2: RS = 1,03 (К⋅см²)/Вт, R0S = 0,79 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,14 Вт/(м⋅K);
• Материал листовой КПТД-2/3: RS = 0,97 (К⋅см²)/Вт, R0S = 0,67 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,44 Вт/(м⋅K);

Представленная выше математическая модель расчета термического сопротивления листовых материалов КПТД-2 при напряжениях сжатия в пределах 0,5 – 1,7 МПа дает хорошую сходимость результатов при соблюдении требований к сжимающим контактным поверхностям.

Пример выбора

Пример. Силовой элемент (диод) с целью отвода выделяемого тепла устанавливается на алюминиевый радиатор через теплопроводящую электроизолирующую прокладку 2А4229 (ТО-3), выполненную из материала КПТД-2/1 – 0,20. Требуется определить термическое сопротивление прокладки RF для оценки достаточности теплоотвода, а также рассчитать перепад температур ΔT между корпусом диода и радиатором при значении отводимой тепловой мощности Q = 25 Вт.

1. По маркировке материала принимаем исходную толщину прокладки δ0 = 0,20 мм;
2. Определяем площадь контактной поверхности прокладки F = 7,99 см²;
3. Принимаем значения RS = 0,90 (К⋅см²)/Вт, λ = 0,87 Вт/(м⋅K) для материала КПТД-2/1;
4. Принимаем напряжение сжатия прокладки σ = 0,7 МПа, модуль упругости E = 157,8 МПа/мм и рассчитываем ее остаточную толщину при сжатии: δ = 0,196 мм;
5. Рассчитываем удельное термическое сопротивление R = RS + δ / λ, R = 3,15 (К⋅см²)/Вт;
6. Определяем термическое сопротивление прокладки RF = 0,394 К/Вт;
7. Рассчитываем перепад температур: ΔT = RF ⋅ Q = 9,85 °С.

Итоговые рекомендации

Альтернативный расчёт для того же примера:

• При применении материала КПТД-2/3 – 0,20-ЛК: R0S = 0,67 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,44 Вт/(м⋅K); R = 2,03 (К⋅см²)/Вт, RF = 0,254 К/Вт, ΔT = 6,35 °С
• При применении материала КПТД-2М/3 – 0,20: R0S = 0,19 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,44 Вт/(м⋅K); R = 1,53 (К⋅см²)/Вт, RF = 0,191 К/Вт, ΔT = 4,79 °С

Вывод: Для одной и той же задачи (прокладка 2А4229, Q=25 Вт) использование материалов с более высокой теплопроводностью (КПТД-2/3) и улучшенным контактным слоем (ЛК или модификация «М») позволяет значительно снизить термическое сопротивление и перепад температур — с 9,85°C до 4,79°C, то есть более чем в 2 раза.

1. Листовой материал КПТД-2 и изделия из него (прокладки и подложки) используются в состоянии поставки. Перед применением снимите защитную полимерную пленку с поверхности материала.
2. Определите требуемое усилие сжатия контактных поверхностей, между которыми устанавливается прокладка. При этом следует учитывать, что номинальное рабочее напряжение сжатия (МПа) определяет допустимую относительную деформацию листа материала в пределах от 10% до 50 % от его исходной толщины, при которой изготовителем гарантируются прочностные, электроизоляционные и теплопроводящие свойства, представленные в таблице «Технические характеристики».
3. Предельное напряжение сжатия определяет относительную деформацию материала в пределах до 50% от его исходной толщины, при которой не происходит потеря эластичности. При снятии напряжения сжатия материал восстанавливается до исходной толщины и сохраняет свои свойства. Не допускается эксплуатация прокладок из материала КПТД-2 при превышении предельного напряжения сжатия.
4. Качество сжимающих поверхностей прибора и радиатора для достижения нормируемых теплопередающих свойств прокладки должно соответствовать ГОСТ 265. Шероховатость сжимающих поверхностей не должна превышать Ra = 0,63 мкм по ГОСТ 2789. Отклонение геометрии сжимающих поверхностей по плоскостности и параллельности должно быть не выше степени точности 7 по ГОСТ 24643. Наличие заусениц и других дефектов на контактных поверхностях может нарушить целостность прокладки и, соответственно, требуемую электрическую изоляцию.
5. Эффективность отвода тепла через прокладку из материала КПТД-2 определяется усилием сжатия поверхностей прибора и радиатора, их плоскостностью и параллельностью при сборке, а также наличием остаточных воздушных полостей между прокладкой и прижимными поверхностями. С целью максимального выдавливания воздушных полостей рекомендуется приложить прокладку глянцевой поверхностью или поверхностью с липким слоем к наиболее качественной прижимной поверхности и прикатать резиновым валиком.
6. Для изоляции полупроводниковых приборов от корпуса радиатора при креплении винтами используйте втулки изолирующие М2,5 и М3 из термостойкого полиамида.
7. В случае применения прокладок большого формата с площадью поверхности от 20 до 1200 см² часто возникает проблема качественной подготовки контактных поверхностей. При этом толщины и эластичности прокладки бывает недостаточно, чтобы при сжатии компенсировать дефекты самих поверхностей, а также их плоскостность и параллельность при сборке. Чтобы не увеличивать толщину прокладки, приводящую к увеличению термического сопротивления, рекомендуется предварительно нанести на контактные поверхности соответствующую теплопроводную пасту КПТД-3 и затем установить и прикатать прокладку.
8. Запрещается хранение, манипулирование и эксплуатация материалов КПТД-2 при температурах ниже минус 60ºС и выше плюс 250ºС.

Модель расчёта

Для оценки теплопроводящих свойств применяется математическая модель расчета термического сопротивления, представленная в разделе «Термическое сопротивление КПТД-материалов». В данном случае суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R включает термическое сопротивление на границе «теплоотдающая контактная поверхность – поверхность прокладки» R1S, термическое сопротивление, зависящее от толщины δ и теплопроводности λ материала прокладки δ/λ, а также термическое сопротивление на границе «поверхность прокладки – теплопринимающая контактная поверхность» R2S.

Следует отметить, что за счет конформной поверхности и высокой эластичности термическое сопротивление материалов КПТД-2M стабилизируется уже при напряжении сжатия 0,4 – 0,7 МПа. При последующем увеличении напряжения сжатия термическое сопротивление зависит лишь от остаточной толщины материала. При нанесении дополнительно липкого слоя или позиционирующей смазки суммарное удельное контактное термическое сопротивление для тонких листов снижается незначительно (см. величину R0S).

Коэффициенты и данные

Значение термического сопротивления прокладок различных марок материалов КПТД-2М возможно определить, используя следующие значения эмпирических коэффициентов:

• Материал листовой КПТД-2M/1 RS = 0,23 (К⋅ см²)/Вт , R0S = 0,19 (К⋅ см²)/Вт , λ = 0,87 Вт/(м⋅K);
• Материал листовой КПТД-2M/2 RS = 0,23 (К⋅ см²)/Вт , R0S = 0,19 (К⋅ см²)/Вт , λ = 1,14 Вт/(м⋅K);
• Материал листовой КПТД-2M/3 RS = 0,23 (К⋅ см²)/Вт , R0S = 0,19 (К⋅ см²)/Вт , λ = 1,44 Вт/(м⋅K);

Представленная выше математическая модель расчета термического сопротивления листовых материалов КПТД-2М при напряжениях сжатия в пределах до 1,7 МПа дает хорошую сходимость результатов при соблюдении требований к сжимающим контактным поверхностям, которые представлены в блоке «Указания по применению».

Пример

Пример. Плата контроллера двигателя с целью комплексного отвода тепла устанавливается в алюминиевый корпус через теплопроводящую электроизолирующую прокладку из материала КПТД-2М/1 – 0,50. Усилие сжатия прокладки при монтаже составило P = 365 H.

1. По маркировке материала принимаем исходную толщину прокладки δ0 = 0,50 мм;
2. Принимаем значения RS = 0,23 (К⋅ см²)/Вт , λ = 0,87 Вт/(м⋅K) для материала КПТД-2M/1;
3. Принимаем полученное напряжение сжатия прокладки при монтаже σ = 0,35 МПа, модуль упругости E =27,8 МПа/мм и остаточную толщину: δ = 0,487 мм;
4. Рассчитываем удельное термическое сопротивление R = RS + δ / λ , R = 5,83 (К⋅ см²)/Вт;
5. Определяем термическое сопротивление прокладки RF: RF = 0,556 К / Вт;
6. Рассчитываем перепад температур: ΔT = RF ⋅ Q ΔT = 8,3 °С.

Для примера при применении материала КПТД-2/3 – 0,20-ЛК имеем:

λ = 1,44 Вт/(м⋅ K) , R = 3,62 (К⋅ см²)/Вт , RF = 0,344 К / Вт , ΔT = 5,16 °С.

1. Материалы КПТД-2М используются в состоянии поставки. Перед применением произведите разметку и вырежьте нужную прокладку, не снимая защитных пленок с поверхности материала. Затем снимите лицевую защитную пленку и приклейте прокладку к одной из контактных теплопередающих поверхностей. Аккуратно снимите с прокладки вторую защитную пленку и прижмите к поверхности материала другую теплопередающую поверхность.
2. Определите требуемое усилие сжатия контактных поверхностей, между которыми устанавливается прокладка. При этом следует учитывать, что номинальное рабочее напряжение сжатия (МПа) определяет допустимую относительную деформацию листа материала в пределах от 10% до 50 % от его исходной толщины, при которой изготовителем гарантируются прочностные, электроизоляционные и теплопроводящие свойства, представленные в таблице «Технические характеристики».
3. Предельное напряжение сжатия определяет относительную деформацию материала в пределах до 50% от его исходной толщины, при которой не происходит потеря эластичности. При снятии напряжения сжатия материал восстанавливается до исходной толщины и сохраняет свои свойства. Не допускается эксплуатация прокладок из материала КПТД-2М при превышении предельного напряжения сжатия.
4. Качество сжимающих поверхностей прибора и радиатора для достижения нормируемых теплопередающих свойств прокладки должно соответствовать ГОСТ 265. Шероховатость сжимающих поверхностей не должна превышать Ra = 0,63 мкм по ГОСТ 2789. Отклонение геометрии сжимающих поверхностей по плоскостности и параллельности должно быть не выше степени точности 7 по ГОСТ 24643. Наличие заусениц и других дефектов на контактных поверхностях может нарушить целостность прокладки и, соответственно, требуемую электрическую изоляцию.
5. Эффективность отвода тепла через прокладку из материала КПТД-2М определяется усилием сжатия поверхностей прибора и радиатора, их плоскостностью и параллельностью при сборке, а также наличием остаточных воздушных полостей между прокладкой и прижимными поверхностями. С целью максимального выдавливания воздушных полостей рекомендуется приложить прокладку глянцевой поверхностью или поверхностью с липким слоем к наиболее качественной прижимной поверхности и прикатать резиновым валиком.
6. Для изоляции полупроводниковых приборов от корпуса радиатора при креплении винтами используйте втулки изолирующие М2,5 и М3 из термостойкого полиамида.
7. В случае применения прокладок большого формата с площадью поверхности от 20 до 1200 см² часто возникает проблема качественной подготовки контактных поверхностей. При этом толщины и эластичности прокладки бывает недостаточно, чтобы при сжатии компенсировать дефекты самих поверхностей, а также их плоскостность и параллельность при сборке. Чтобы не увеличивать толщину прокладки, приводящую к увеличению термического сопротивления, рекомендуется предварительно нанести на контактные поверхности соответствующую теплопроводную пасту КПТД-3 и затем установить и прикатать прокладку.
8. Запрещается хранение, манипулирование и эксплуатация материалов КПТД-2М при температурах ниже минус 60ºС и выше плюс 250ºС.

Модель расчёта

Для оценки теплопроводящих свойств применяется математическая модель расчета термического сопротивления, представленная в разделе «Термическое сопротивление КПТД-материалов». В данном случае суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R включает термическое сопротивление на границе «теплоотдающая контактная поверхность – термопаста» R1S, термическое сопротивление, зависящее от толщины δ и теплопроводности λ слоя термопасты δ/λ, а также термическое сопротивление на границе «термопаста – теплопринимающая контактная поверхность» R2S. Проведенные измерения R (ASTM E 1530) показали, что в области толщин остаточного слоя пасты между качественными контактными поверхностями (см. «Применение») равном 25 – 80 микрон, суммарное удельное контактное термическое сопротивление RS незначительно и составляет 0,045 – 0,055 (К⋅ см²)/Вт.

Коэффициенты и данные

За счет высоких вязко-пластичных свойств и ультрадисперсного состава керамического наполнителя толщина слоя термопаст КПТД-3 стабилизируется на уровне 25 – 35 мкм уже при незначительных напряжениях сжатия 0,2 – 0,7 МПа.

Для расчета термического сопротивления слоя теплопроводной пасты RF при напряжении сжатия контактных поверхностей в пределах 0,2 – 1,7 МПа следует принимать следующие значения остаточной толщины слоя пасты и суммарного удельного контактного термического сопротивления RS:

• Термопаста КПТД-3/1 δ = 0,032 мм , RS = 0,055 (К⋅ см²)/Вт
• Термопаста КПТД-3/2 δ = 0,032 мм , RS = 0,050 (К⋅ см²)/Вт
• Термопаста КПТД-3/3 δ = 0,029 мм , RS = 0,045 (К⋅ см²)/Вт

При этом значение теплопроводности для каждой марки теплопроводной пасты λ берется из таблицы «Технические характеристики», или из удостоверения о качестве, которое прилагается к поставляемой продукции.

Пример выбора

Пример. Площадь теплоотдающей поверхности процессора на материнской плате составляет F = 6,25 см². Требуется определить термическое сопротивление слоя теплопроводной пасты RF для оценки достаточности теплоотвода от процессора к радиатору кулера при применении термопасты КПТД-3/1, а также рассчитать перепад температур ΔT между поверхностью процессора и радиатором при значении отводимой тепловой мощности Q = 65 Вт.

1. Принимаем значение δ = 0,032 мм RS = 0,055 (К⋅ см²)/Вт для остаточного слоя термопасты КПТД-3/1;
2. Из удостоверения о качестве принимаем значение теплопроводности пасты λ = 0,84 Вт/(м⋅K);
3. Рассчитываем R = RS + δ / λ , R = 0,436 (К⋅ см²)/Вт;
4. Определяем значение RF по формуле: RF = 0,070 К/Вт;
5. Рассчитываем перепад температур, используя формулу: ΔT = RF ⋅ Q ΔT = 4,53 °С.

Для примера при применении теплопроводной пасты КПТД-3/3 имеем:

δ = 0,029 мм , RS = 0,045 (К⋅ см²)/Вт , λ = 1,24 Вт/(м⋅ K) , R = 0,279 (К⋅ см²)/ Вт , RF = 0,045 К / Вт , ΔT = 2,90 °С.

1. Поверхность, подлежащую нанесению теплопроводной пасты, тщательно очистить от пыли, грязи и другого сора волосяными щетками, тканевыми салфетками или с помощью обдува сжатым воздухом. Для удаления влаги, следов минеральных масел, а также жировых пятен и других загрязнений поверхность обезжирить тканью, смоченной в растворителе бензине БР-2 ТУ 38.401-67-108, нефрасе С2 – 80/120 по ТНПА изготовителя, или в изопропиловом спирте ТУ 2632-015-11291058. После обработки растворителем поверхность тотчас же протереть сухой чистой тканью насухо. Затем в таком же порядке провести повторное обезжиривание.
2. Теплопроводную пасту нанести на поверхность кистью, шпателем, шприцем. При тщательном размазывании по поверхности добиться полного заполнения пастой всех микронеровностей с выдавливанием остаточного воздуха.
3. Толщина рабочего слоя теплопроводящей пасты зависит от плоскостности и параллельности сопрягаемых поверхностей при монтаже и по возможности должна быть минимальной: при сжатии со слоем пасты между поверхностями не должно оставаться воздушных полостей, а излишки пасты должны выдавливаться наружу.
4. Оптимальная толщина остаточного слоя пасты при качественной подготовке поверхностей (шероховатость не более Ra=0,63 мкм по ГОСТ 2789, отклонение по плоскостности и параллельности поверхностей при сборке не выше степени точности 7 по ГОСТ 24643) должна составлять 25 – 80 мкм (см. рисунок).