A hűtés optimalizálása hőeloszlató és hézagkitöltő anyagokkal

Az elektronikus eszközök teljesítményének és megbízhatóságának biztosításához fontos a jó hűtés. Ez elméletileg egyszerű, kezdve a nem kívánt hőnek a forrástól való elvezetésével és folytatva a hatékony hűtés érdekében minél nagyobb területen való eloszlatásával. A gyakorlati megvalósítás azonban sok esetben kihívást jelenthet.

A hőtermelő eszközök felületei általában nem elég simák ahhoz, hogy a jó hőátadáshoz szükséges kis hőimpedanciával rendelkezzenek. Egyes eszközök esetében a felületek nem síkok, ami növeli a hűtés jelentette kihívást. Emellett a hűtendő alkatrészek lehetnek mélyen a rendszer belsejében is, ami tovább nehezíti a potenciálisan káros hő elvezetését.

A hővezető képesség javítására használhatók hővezető paszták és zsírok, de a jó hőátadás biztosításához szükséges fedettség elérése és az ezen pasztáknak és zsíroknak az áramköri lap vezetőcsíkjainak szennyeződését és esetlegesen rövidzárlatokat okozó túlzott mennyiségben történő felvitelének elkerülése már nem mindig egyszerű. Ezenkívül a hővezető paszták és a zsírok nem képesek a hőt oldalirányban a hőforrástól távolabb vinni és ott eloszlatni.

Ezek helyett a tervezők használhatnak különféle felületközi hővezető anyagokat (TIM, thermal interface material), beleértve a hézagkitöltő és a hőeloszlató anyagokat, hogy biztosítsák a hatékony hőátadáshoz szükséges egyenletesen kis hőimpedanciát, miközben elejét veszik a szennyeződéssel kapcsolatos aggályoknak. Az egyedi rendszerigények kielégítése érdekében a felületközi hővezető anyagok kialakíthatók úgy, hogy a hőt függőlegesen vagy oldalirányban vezessék el. A felületközi hővezető anyagok többféle vastagságban kaphatóak, hogy megfeleljenek az egyedi felhasználási követelményeknek, magasabb üzemi hőmérsékleten is mechanikailag stabilak a nagyobb megbízhatóság érdekében, nagyfokú elektromos szigetelést kínálnak, és könnyű őket felvinni.

Ez a cikk a hűtéssel foglalkozik, és ismerteti a felületközi hővezető anyagok kiválasztásával kapcsolatos általános irányelveket. Ezután bemutatja a Würth Elektronik többfajta felületközi hővezető anyagát, és megvizsgálja, hogy azok használata esetén milyen szempontokat kell figyelembe venni a tervezés során.

Mik azok a felületközi hővezető anyagok?

A felületközi hővezető anyagokat a hőforrás és a hűtőszerelvény közé helyezik a hőcsatolás és a hőáramlás javítása érdekében. A hőcsatolás hatékonyságát két tényező növeli. Az első a felületközi hővezető anyagok azon képessége, hogy alkalmazkodnak a mikroszkopikus felületi egyenetlenségekhez, megszüntetve minden olyan zárványt, amelybe szigetelő tulajdonságú levegő kerülhet, és amely emiatt csökkentené a határfelület hővezető képességét (1. ábra). A második, hogy a hővezető anyagok rendelkeznek azzal a hővezető képességgel, amely a hőnek a hőforrásból a hűtőszerelvénybe való hatékony átviteléhez szükséges. A hővezető képesség vagy hővezetési tényező jele K (ebben a cikkben is, de a λ (lambda) jelölést is használják rá – a magyar fizika ez utóbbit használja elterjedtebben), a mértékegysége pedig W/mK (watt per méter-kelvin). Ezt az ASTM D5470 (Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials – A villamosan szigetelő hővezető anyagok hőátadási tulajdonságainak szabványos vizsgálati módszere) szabvány alapján mérik.

1. ábra: A felületközi hővezető anyag (kék) az alkatrészek és a hűtőszerelvények felületén található mikroszkopikus egyenetlenségek kitöltésére szolgál a hőcsatolás javítása érdekében (kép: Würth Elektronik)

A felületközi hővezető anyagok kiválasztásakor a hővezető képesség mellett több más szempontot is figyelembe kell venni:

• Fontos az üzemi hőmérséklet-tartomány, mert a különböző felületközi hővezető anyagokat különböző hőmérséklet-tartományokra tervezik.
• Az illeszkedő felületek közötti távolság és az, hogy a felületközi hővezető anyagot össze kell-e nyomni az optimális hőátadáshoz.
• A felületközi hővezető anyag nyomástűrő képessége.
• Egyes felületközi hővezető anyagok a felületükre felhordandó ragasztóanyaggal együtt kaphatók, amely lehetővé teszi a mechanikus rögzítésüket.
• A felületközi hővezető anyag villamos szigetelési tulajdonsága, mivel egyes anyagokat villamos szigetelésre is használhatnak.
• Egyes felületközi hővezető anyagok normál alkatrészként kaphatóak, nincs minimális rendelési mennyiség és szerszámköltség sem, míg mások egyedi formákban, és optimalizálhatóak az adott felhasználási követelményekhez.

A hézagkitöltők választéka

A WE-TGF szilikon hézagkitöltő egy általános célú anyag, amelyet kisnyomású, villamos szigetelést is nyújtó megoldásként való felhasználásra terveztek, ahol a felületközi hővezető anyagot összenyomják eredeti vastagságának 10%–30%-ára. Az ajánlott összenyomási szint túllépése a szilikonolaj kilökődéséhez vezethet, ami csökkenti az anyag várható élettartamát, és esetleg szennyezheti a nyomtatott áramköri (nyák) lapot is. Ezeket a felületközi hővezető anyagokat két mechanikusan rögzített felület közötti használatra tervezték, mivel a természetes tapadásukon kívül nincsenek ellátva más ragasztóanyaggal. Ez az anyag 0,5–18 mm közötti vastagságban és 1–3 W/mK közötti hővezetési tényezővel kapható. Az anyag 0,5–3 mm közötti vastagság esetén jobb hővezetést tesz lehetővé (2. ábra).

2. ábra: A Würth hővezető hézagkitöltő anyagai a legkülönbözőbb felhasználási területek igényeinek megfelelő változatokban kaphatóak (kép: Würth Elektronik)

A 40001020 cikkszámú párna például 400 mm × 200 mm méretű, 2 mm vastag, 1 W/mK hőszigetelési tényezőjű (K) és 8 kV/mm átütési szilárdságú vagy villamos átütési (E_BR) értékű. A puha és villamosan szigetelő WE-TGF hézagkitöltőket a tulajdonságaik alkalmassá teszik egy vagy több elektronikai alkatrész és egy hűtőszerelvény között történő felhasználásra (3. ábra).

3. ábra: A szilikonelasztomer hézagkitöltő párnát úgy tervezték, hogy kitöltse az egy vagy több elektronikus alkatrész és a hűtőszerelvény, például hűtőborda, hűtőlemez vagy fémház közötti rést (kép: Würth Elektronik)

A villamos szigetelést és vékonyabb profilt igénylő hűtési megoldásokhoz a tervezők használhatják a WE-TINS hővezető szilikon szigetelőpárnát, amelynek K értéke 1,6–3,5 W/mK között van, a vastagsága pedig 0,23 mm. A 404035025 cikkszámú termék hőszigetelési tényezője (K) 3,5 W/mK, villamos átütési (E_BR) értéke pedig 6 kV/mm. Mint a WE-TINS sorozat minden tagja, a 404035025 is a hővezető szilikongumit és az üvegszálas hálót ötvözi. A háló mechanikai szilárdságot kölcsönöz, valamint szúrás- és nyírásálló. A szerkezet mechanikai tulajdonságainak köszönhetően ezek a felületközi hővezető anyagok tetszés szerint összenyomhatóak és nagy szakítószilárdságúak.

A hővezető halmazállapot-váltó anyagok és a hőátvivő szalagok még vékonyabbak, mindössze 0,02 mm vastagságúak. A halmazállapot-váltó felületközi hővezető anyagok WE-PCM termékcsaládja például egy adott hőmérsékleten szilárdból folyadékká változik, így kiömlés vagy túlfolyás nélkül biztosítja a határfelület teljes benedvesítését. Nagy teljesítményű integrált áramkörökkel, illetve nagy teljesítményű áramköri elemekkel és hűtőszerelvényekkel való használatra tervezték. A 402150101020 cikkszámú alkatrész például 100 mm oldalhosszú négyzet alakú, mindkét oldalán ragasztóval, 5 W/mK hőszigetelési tényezővel (K), 3 kV/mm villamos átütési (E_BR) értékkel és 55 °C-os halmazállapot-változási hőmérséklettel.

A WE-TTT hőátadó szalag egy kétoldalas szalag, amely lehetővé teszi mindkét érintkező felület mechanikus rögzítését. Hőszigetelési tényezője (K) 1 W/mK, villamos átütési (E_BR) értéke 4 kV/mm, és kisnyomású felhasználási területekre tervezték. 8 mm (cikkszám: 403012008) és 50 mm (cikkszám: 403012050) szélességű 25 m-es tekercsekben kapható.

Grafitos hőeloszlató megoldások

A szintetikus grafit alapú felületközi hővezető anyagok kínálják a legjobb hővezető képességet (4. ábra). A WE-TGS termékcsalád 4051210297017 cikkszámú terméke egy 297 mm × 210 mm méretű szintetikus grafit hőeloszlató, amelynek hőszigetelési tényezője (K) 1800 W/mK, és amely nem nyújt villamos szigetelést. A nagy hővezető képesség, a kis tömeg és a vékonyság (0,03 mm) kombinációja teszi ezeket a grafitlapokat a nagy teljesítményű félvezető moduloktól a kézi eszközökig számos felhasználási területen használhatóvá.

4. ábra: A grafit hőeloszlatók több irányban is nagy hővezető képességgel rendelkeznek, és akár 0,03 mm vékonyak is lehetnek (kép: Würth Elektronik)

A WE-TGFG sorozat grafitlapokat és habpárnákat kombinálva hoz létre egyedülálló hűtési megoldásokat 400 W/mK hőszigetelési tényezővel (K) és 1 kV/mm villamos átütési (E_BR) értékkel. Hosszú tömítések készíthetők belőle, amelyek hőeloszlatóként szolgálnak, és a hőt oldalirányban továbbítják a hőforrástól a rendszer egy másik részében található hűtőszerelvényhez (5. ábra). A 407150045015 cikkszámú alkatrész például 45 mm hosszú, 15 mm széles és 1,5 mm vastag, és olyan felhasználási területeken használható, ahol előnyös a hézagkitöltés és az oldalirányú hőátadás.

5. ábra: A forró alkatrész tetejére helyezett felületközi hővezető anyag hőeloszlatóként működhet, amely a hőt oldalirányban vezeti el az alkatrésztől (kép: Würth Elektronik)

Nagyobb hővezető képesség a WE-TGF hézagkitöltőhöz hasonló szilikonpárnákkal csak úgy érhető el, ha a párnát vékonyabbra gyártják. A tervezők a WE-TGFG felületközi hővezető anyagokkal akár 25 mm-es hézagokat is kitölthetnek a szilikonpárnákkal elérhetőnél sokkal nagyobb hővezető képességgel, és a WE-TGFG alkatrészek tetszés szerinti alakúra készíthetők, hogy nem síkbeli terekbe is illeszkedjenek (6. ábra).

6. ábra: A grafithab tömítés (középen) különböző alakúra gyártható, és beilleszthető egy hőforrás (alul) és egy nem síkbeli hőelvezető elem (felül) közé (kép: Würth Elektronik)

Felületközi hővezető anyagok kombinálása a jobb teljesítmény érdekében

A felületközi hővezető anyagok kombinálhatók, hogy jobb teljesítményt nyújtsanak. Például egy WE-TGS grafit hőeloszlató kombinálható egy WE-TGF szilikon hézagkitöltővel, így lehetővé válik a hőforrásnál nagyobb alapterületű hűtőborda használata, ami növeli a teljes szerelvény hűtési képességét (7. ábra).

7. ábra: A WE-TGS grafit hőeloszlató (1. felületközi hővezető anyag) és a WE-TGF szilikon hézagkitöltő (2. felületközi hővezető anyag) kombinációja lehetővé teszi a forró alkatrész alapterületénél nagyobb hűtőborda használatát, ami jobb hűtést biztosít (kép: Würth Elektronik)

Általános használati útmutató

Az alkalmazott felületközi hővezető anyagtól vagy anyagoktól függetlenül van néhány általános használati irányelv, amelyeket a tervezőknek figyelembe kell venniük:

• Az alkatrész és a hűtőegység felületének tisztának és száraznak kell lennie. A felületi szennyeződések eltávolítására szöszmentes törlőkendőt vagy törlőkendőt és izopropil alkoholt kell használni.
• Az összenyomást igénylő felületközi hővezető anyagok használatakor az anyagot egyenletes nyomással kell összenyomni a teljes felületen. Ha az alkalmazott nyomás meghaladja a megadott értéket, az anyag megsérülhet.
• A legjobb hővezető képesség elérése érdekében minden felületi légbuborékot el kell távolítani, illetve minden légrést meg kell szüntetni.
• A felületközi hővezető anyag üzemi hőmérsékletének meg kell felelnie a környezeti hőmérséklet és a hűtendő alkatrész hőmérséklet-emelkedése együttes értékének.

Összegzés

A hűtés az elektronikus rendszerek tervezésének széles körében jelent problémát. Mint látható, a tervezők a különböző anyagokból, többek között szilikonból, halmazállapot-váltó anyagokból, grafitból és habpárnákból készült felületközi hővezető anyagok széles választékát használhatják. A felületközi hővezető anyagok használata biztosítja a hatékony hőátadáshoz szükséges egyenletesen kis hőimpedanciát, miközben elejét veszi a hővezető paszták és hővezető zsírok használatakor felmerülő esetleges szennyezési problémáknak.

Míg a hővezető paszták és zsírok csak függőlegesen adják át a hőt, a tervezők választhatnak, hogy a hőt függőlegesen vezető hézagkitöltő felületközi hővezető anyagokat vagy a hőt oldalirányba is vezetni képes hőeloszlatókat használjanak-e. Végül, de nem utolsósorban pedig sok felületközi hővezető anyag rendelése esetén nincs sem minimális rendelési mennyiség, sem szerszámköltség, így gazdaságos választást jelentenek a hűtéstervezéshez.

Ajánlott olvasnivaló

1. An Introduction to Thermal Management (Hűtés – bevezetés)
2. How to Stay Cool: The Basics of Heat Sink Selection and Application (Hűvösnek maradni: a hűtőbordák kiválasztásának és használatának alapjai)