Lämmönhallinnan optimointi lämmönlevittäjillä ja täyteaineilla

Elektroniikkalaitteiden suorituskyky ja luotettavuus edellyttää hyvää lämmönhallintaa. Periaatteessa lämmönhallinta on yksinkertaista: ensin siirretään ei-toivottu lämpö pois sen syntypaikasta ja sen jälkeen se levitetään suuremmalle alueelle, jolloin lämpö häviää ja järjestelmä jäähtyy tehokkaasti. Käytännön toteutus on kuitenkin usein haastavaa.

Lämpöä tuottavien laitteiden pinnat eivät yleensä ole niin sileitä, että niillä olisi tehokkaaseen lämmönsiirtoon tarvittava alhainen lämpöimpedanssi. Toisinaan pinnat eivät ole tasomaisia, mikä vaikeuttaa lämmönhallintaa entisestään. Jäähdytettävät komponentit saattavat myös sijaita syvällä järjestelmän sisällä, jolloin potentiaalisesti haitallista lämpöä on vaikeampi poistaa.

Lämmönjohtavuutta voidaan parantaa lämpötahnoilla ja ‑rasvoilla, mutta tällaisia aineita on vaikea levittää hyvään lämmönsiirtoon tarvittava määrä ilman, että ainetta tulee vahingossa liikaa, jolloin se sotkee piirilevyn johtimia ja aiheuttaa oikosulkuja. Lämpötahnat ja ‑rasvat eivät myöskään siirrä lämpöä pois lämmönlähteestä lateraalisesti.

Suunnittelijat voivat saavuttaa tehokkaaseen lämmönsiirtoon tarvittavan yhtenäisen alhaisen lämpöimpedanssin ja poistaa kontaminaatioon liittyvät huolet käyttämällä lämpörajapintamateriaaleja (thermal interface materials, TIM), kuten täyteaineita ja lämmönlevittäjijä. TIM-materiaaleja käyttämällä lämpöä voidaan siirtää vertikaalisesti tai levittää lateraalisesti järjestelmän tarpeiden mukaan. Saatavana olevien TIM-materiaalien paksuus vaihtelee sovelluksen mukaan. Materiaalit ovat luotettavia ja pysyvät korkeissa käyttölämpötiloissa mekaanisesti vakaina, ne tarjoavat hyvän sähköeristyksen ja niitä on helppo käyttää.

Tässä artikkelissa käsitellään lämmönhallintaa ja annetaan yleisiä ohjeita TIM-materiaalien valinnasta. Sen jälkeen artikkelissa esitellään useita Würth Elektronikin tarjoamia TIM-vaihtoehtoja sekä niiden käyttöön ja suunnitteluun liittyviä näkökohtia.

Mitä TIM-materiaalit ovat?

TIM-materiaalien avulla parannetaan lämmönlähteen ja jäähdytyskokoonpanon välistä lämpökytkentää ja lämpövirtaa. On kaksi tekijää, jotka parantavat lämpökytkennän tehokkuutta. Niistä ensimmäinen on TIM-materiaalin kyky mukautua pinnan mikroskooppisiin epätasaisuuksiin ja poistaa rakenteesta rajapinnan lämmönjohtavuutta heikentävät ilmataskut (kuva 1). Toiseksi TIM-materiaalien lämmönjohtavuus riittää lämmön tehokkaaseen siirtämiseen lähteestä jäähdytyskokoonpanoon. Lämmönjohtavuuden K yksikkö on wattia metriä ja kelviniä kohden (W/mK). Se määritetään ASTM D5470 ‑standardin (”Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials”) mukaisesti.

Kuva 1: TIM-materiaali (sininen) täyttää komponenttien ja jäähdytyskokoonpanojen pintojen mikroskooppiset epätasaisuudet ja parantaa siten lämpökytkentää. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

TIM-materiaalin valintaan vaikuttaa lämmönjohtavuuden lisäksi moni muukin seikka:

• Käyttölämpötila-alueella on merkitystä, sillä eri TIM-materiaalit sopivat erilaisille lämpötila-alueille.
• Kontaktipintojen välinen etäisyys ja täytyykö TIM-materiaalia puristaa kokoon lämmönsiirron tehostamiseksi.
• TIM-materiaalin kyky kestää puristuspainetta.
• Joissakin TIM-materiaaleissa on liimapinnat, joilla ne voidaan kiinnittää mekaanisesti.
• TIM-materiaalin sähköinen eristyskyky, sillä materiaaleja käytetään toisinaan sähköisenä eristeenä.
• Jotkin TIM-materiaalit ovat saatavana normaalituotteina ilman vähimmäistilausmäärää ja työkalukustannuksia, toiset taas räätälöidään ja optimoidaan tiettyjen käyttövaatimusten mukaisesti.

Täyteainevaihtoehdot

Yleiskäyttöinen WE-TGF-silikonitäyteaine sopii käytettäväksi sovelluksissa, joissa paine on pieni ja sähköneristävyydestä on hyötyä. TIM-materiaalia puristetaan kokoon 10–30 % sen paksuudesta. Suositellun puristusasteen ylittäminen saattaa johtaa silikoniöljyn erkaantumiseen, mikä lyhentää materiaalin käyttöikää ja saattaa liata piirilevyä. Tällaiset TIM-materiaalit on tarkoitettu käytettäväksi kahden mekaanisesti kiinnitetyn pinnan välissä, sillä niiden adheesio muodostuu niiden luontaisesta tahmeudesta. Saatavana olevat paksuudet ovat 0,5–18 millimetriä (mm) ja lämmönjohtokyky 1–3 W/mK. Paksuuksilla 0,5–3 mm saavutetaan parempi lämmönjohtavuus (kuva 2).

Kuva 2: Würthiltä on saatavana erilaisiin käyttötarkoituksiin sopivia lämpötäyteaineita. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Esimerkiksi 40001020-tuotteen levykoko on 400 x 200 mm ja paksuus 2 mm. Sen K-arvo on 1 W/mK ja dielektrinen lujuus eli läpilyöntilujuus (E_BR) on 8 kV/mm. WE-TGF-täyteaineet ovat pehmeitä ja eristävät sähköä, joten ne soveltuvat käytettäväksi yhden tai useamman elektroniikkakomponentin ja jäähdytyskokoonpanon välissä (kuva 3).

Kuva 3: Silikonielastomeerista valmistettu täytelevy on tarkoitettu yhden tai useamman elektroniikkakomponentin ja jäähdytyskokoonpanon, kuten jäähdytyslevyn tai metallikotelon väliin. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Jos lämmönhallintaratkaisussa tarvitaan sähköneristävyyttä ja ohuempaa profiilia, suunnittelijat voivat valita lämpöä johtavan, silikonista valmistetun WE-TINS-eristyslevyn, jonka K-arvo on 1,6–3,5 W/mK ja paksuus 0,23 mm. Osanumeron 404035025 K-arvo on 3,5 W/mK ja E_BR 6 kV/mm. Kuten muissakin WE-TINS-sarjan tuotteissa, myös 404035025-tuotteessa yhdistyvät lämpöä johtava silikonikumi ja lasikuituverkko. Verkko parantaa mekaanista lujuutta sekä ehkäisee reikiä ja repeämistä. Rakenteen mekaanisten ominaisuuksien ansiosta näitä TIM-materiaaleja voidaan puristaa kokoon tarpeen mukaan ja niiden vetolujuus on korkea.

Termiset faasimuutosmateriaalit ja lämmönsiirtoteipit ovat vieläkin ohuempia, ohuimmillaan vain 0,02 mm. Esimerkiksi WE-PCM-sarjan faasimuutosmateriaalit muuttuvat tietyssä lämpötilassa kiinteästä aineesta nesteeksi, jolloin rajapinta kostuu täydellisesti, mutta nestettä ei roisku tai vuoda yli. Ne on tarkoitettu käytettäväksi erittäin suorituskykyisissä integroiduissa piireissä tai tehokomponenteissa sekä jäähdytyskokoonpanoissa. Esimerkiksi osanumeron 402150101020 koko on 100 x 100 mm, ja levyn molemmilla puolilla on liima. Sen K-arvo on 5 W/mK, E_BR 3 kV/mm ja faasimuutoslämpötila 55 celsiusastetta (°C).

WE-TTT-lämmönsiirtoteippi on kaksipuoleinen teippi, joka voidaan kiinnittää mekaanisesti kumpaakin kosketuspintaan. Sen K-arvo on 1 W/mK ja E_BR 4 kV/mm, ja se on suunniteltu käyttökohteisiin, joissa paine on pieni. Saatavana on 8 mm leveä (osanumero 403012008) ja 50 mm leveä (osanumero 403012050) vaihtoehto. Rullan pituus on 25 metriä (m).

Grafiittipohjaiset lämmönlevitysratkaisut

Synteettiset grafiittipohjaiset TIM-materiaalit tarjoavat parhaan mahdollisen lämmönjohtavuuden (kuva 4). WE-TGS-perheen osanumero 4051210297017 on synteettisestä grafiitista valmistettu lämmönlevittäjä, jonka koko on 297 x 210 mm. Sen K-arvo on 1800 W/mK, eikä materiaali toimi sähköneristeenä. Nämä grafiittiarkit sopivat korkean lämmönjohtavuutensa, keveytensä ja ohuutensa (0,03 mm) ansiosta monenlaisiin sovelluksiin tehokkaista puolijohdemoduuleista käsikäyttöisiin laitteisiin.

Kuva 4: Grafiittiset lämmönlevittäjät johtavat lämpöä tehokkaasti. Näistä erittäin ohuista tuotteista (0,03 mm) on saatavana on useita eri kokoja. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

WE-TGFG-sarjassa grafiittiarkit on liitetty vaahtolevyihin. Näin syntyneen ainutlaatuisen lämmönhallintaratkaisun K-arvo on 400 W/mK ja E_BR 1 kV/mm. Niistä voidaan valmistaa pitkiä tiivisteitä, jotka toimivat lämmönlevittäjinä ja siirtävät lämpöä lateraalisesti lähteestä järjestelmän toisessa osassa sijaitsevaan jäähdytyskokoonpanoon (kuva 5). Esimerkiksi osan 407150045015 pituus on 45 mm, leveys 15 mm ja paksuus 1,5 mm. Sitä voidaan käyttää sovelluksissa, joissa tarvitaan täyttöä ja lateraalista lämmönsiirtoa.

Kuva 5: Kuuman komponentin päälle sijoitettu TIM toimii lämmönlevittäjänä ja siirtää lämpöä pois komponentista lateraalisesti. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Korkean lämmönjohtavuuden saavuttaminen WE-TGF-täyteaineiden kaltaisilla silikonilevyillä vaatii levyn ohentamista. Suunnittelijat voivat WE-TGFG-materiaaleilla täyttää jopa 25 mm huomattavasti silikonilevyjä korkeammalla lämmönjohtavuudella. Lisäksi WE-TGFG-osat voidaan räätälöidä sopivan muotoisiksi epätasaisiin tiloihin (kuva 6).

Kuva 6: Grafiittivaahtotiiviste (keskellä) voidaan valmistaa halutun muotoiseksi ja sijoittaa lämmönlähteen (alla) ja ei-tasomaisen lämmönhajotuselementin (yllä) väliin. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Parempi suorituskyky TIM-materiaaleja yhdistelemällä

TIM-materiaaleja yhdistelemällä saavutetaan vieläkin parempi suorituskyky. Esimerkiksi grafiitista valmistettuun WE-TGS-lämmönlevittäjään voidaan yhdistää silikoninen WE-TGF-täyteaine, jolloin voidaan käyttää lämmönlähdettä suurempaa lämmönlevittäjää ja parantaa kokonaisuuden jäähdytyskykyä (kuva 7).

Kuva 7: Würth Elektronikin grafiitista valmistetun WE-TGS-lämmönlevittäjän (TIM 1) ja silikonisen WE-TGF-täyteaineen (TIM 2) yhdistelmällä jäähdytystä voidaan tehostaa käyttämällä kuumaa komponenttia suurempaa lämmönlevittäjää. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Yleisiä käyttöohjeita

Käytettävästä lämpörajapintamateriaalista tai ‑materiaaleista riippumatta huomioon täytyy ottaa muutamia yleisiä sääntöjä:

• Komponentin ja jäähdytyskokoonpanon pintojen on oltava puhtaita ja kuivia. Pinnat on tarvittaessa puhdistettava isopropanolilla ja nukkaamattomalla vanupuikolla tai pyyhkeellä.
• Puristettavia TIM-materiaaleja käytettäessä puristuksen on kohdistuttava tasaisesti materiaalin koko pintaan. Materiaali voi vaurioitua, jos puristusvoima on liian korkea.
• Parhaan lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi pinnalta on poistettava kaikki ilmakuplat ja/tai raot.
• TIM-materiaalin käyttölämpötilassa on otettava huomioon ympäristön lämpötila ja jäähdytettävän komponentin lämpeneminen.

Yhteenveto

Lämmönhallinta aiheuttaa ongelmia monenlaisten elektroniikkajärjestelmien suunnittelussa. Kuten artikkelissa on kuvattu, käytettävissä on runsaasti erilaisia lämpörajapintamateriaaleja, kuten silikoneja, faasimuutosmateriaaleja, grafiittia ja vaahtolevyjä. Tehokkaaseen lämmönsiirtoon tarvittavan yhtenäisen alhaisen lämpöimpedanssin voi toteuttaa TIM-materiaalien avulla ilman lämpötahnojen tai ‑rasvojen käyttöön mahdollisesti liittyviä kontaminaatio-ongelmia.

Tahnat ja rasvat poistavat lämpöä pelkästään vertikaalisesti. TIM-täyteaineet johtavat lämpöä samoin vertikaalisesti ja TIM-lämmönlevittäjät lateraalisesti. Monia TIM-materiaaleja on saatavana ilman vähimmäistilausmäärää tai työkalukustannuksia, joten lämmönhallinta voidaan niiden avulla toteuttaa taloudellisesti.

Suositeltavaa luettavaa

1. Johdatus lämmönhallintaan
2. Miten pysyä viileänä: jäähdytyslevyn valinnan ja käytön perusteet