Обзор теплопроводящих диэлектрических материалов КПТД

Обеспечение отвода тепловой энергии от греющегося электронного прибора является одной из важнейших задач разработчиков и производителей электронной техники. Повышение функциональности устройств, увеличение их мощности при миниатюризации компонентов, как правило, приводит к необходимости рассеивать все большие тепловые потоки. В данном случае, создание эффективного теплового контакта путем применения соответствующих теплопроводящих электроизоляционных материалов имеет важное значение для эксплуатационных характеристик изделия, стабильности и долговечности его работы.

Процесс теплопереноса от горячего корпуса к радиатору с последующим рассеиванием тепла конвекцией в окружающую среду мы называем «естественной тепловой разгрузкой» прибора. Эффективность тепловой разгрузки определяется следующими основными параметрами:

• качеством исполнения теплоотдающей поверхности корпуса электронного прибора 1, т.е. ее плоскостностью и шероховатостью;
• конструкцией и качеством исполнения теплопринимающей и теплоотдающей поверхностей радиатора 2;
• свойствами теплопроводящей электроизолирующей прокладки (подложки), обеспечивающей тепловой контакт между корпусом и радиатором 3;
• условиями обеспечения теплового контакта, т.е. усилием сжатия Р поверхностей прибора и радиатора, их плоскостностью и параллельностью при сборке, наличием остаточных воздушных полостей между прокладкой и прижимными поверхностями;
• условиями теплоотдачи от радиатора в окружающую среду.

На практике конструкции корпуса и радиатора в электронных изделиях достаточно оптимизированы по теплоотводу. Таким образом, единственным конструктивным элементом электронной сборки, ограничивающим теплопередачу и теплопередающие свойства которого поддаются коррекции, является изолирующая прокладка. Именно она, а точнее, термическое сопротивление, возникающее между прибором и радиатором, которые разделены прокладкой, и определяет конструктивные размеры, мощность и производительность всего прибора в целом. Чем выше термическое сопротивление изолирующей прокладки, тем больший перепад температур ΔT создается между корпусом и радиатором, что, соответственно, повышает опасность перегрева прибора и снижает время его наработки на отказ. Очевидно, что на современном уровне развития электроники изолирующая прокладка выполняет отнюдь не второстепенную роль. Максимальное снижение термического сопротивления между корпусом и радиатором позволяет минимизировать теплопередающие поверхности и размеры прибора при заданных мощностях отводимых тепловых потоков ΔQ .

Важное значение при выборе теплопроводящей прокладки имеет также обеспечение надежной электрической изоляции между прибором и радиатором, технологичность и минимальная трудоемкость сборки, возможность применения изделия в автоматизированных технологиях массового производства, оптимальное соотношение цена-качество.

При разработке КПТД-материалов специалистами ОДО «НОМАКОН» найдены решения, позволяющие поддерживать высокий уровень теплопроводящих и электроизоляционных характеристик материалов, т.е. обеспечивать сочетание максимально возможной теплопроводности, электрической прочности и комформности материала к контактной поверхности. Под конформностью материала к контактной поверхности в данном случае подразумевается возможность его плотного прилегания к прижимающим поверхностям с вытеснением остаточного воздуха и повторением формы микрорельефа поверхностной шероховатости с целью минимизации контактного термического сопротивления.

Вышеперечисленные свойства достигнуты путем максимального наполнения эластомеров теплопроводящими диэлектрическими микропорошками оптимального дисперсного состава в сочетании с высокой степенью остаточной эластичности полученного после полимеризации материала, его выраженной термической релаксацией, а также формированием гладкой и ровной (глянцевой) поверхности для листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М.

Таким образом, уже при незначительных напряжениях сжатия  P₁ < P₂ < P₃  КПТД-материалы способны существенно снизить термическое сопротивление  ΔT₁ > ΔT₂ > ΔT₃  и обеспечить эффективный эластичный термоинтерфейс.

Согласно уравнению теплопередачи теплопроводностью через плоскую стенку (прокладку) количество тепла, переданного в единицу времени (тепловой поток) ΔQ, Вт, прямо пропорционально разности температур теплоотдающей T1S, °С, и теплопринимающей T2S, °С, поверхностей, прямопропорционально площади поверхности теплопередачи (прокладки) F, м2, и обратно пропорционально суммарному удельному термическому сопротивлению теплопередаче R, (К•м2)/Вт:

Суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R в данном случае согласно правилу аддитивности термических сопротивлений состоит из трех составляющих: термического сопротивления на границе «теплоотдающая контактная поверхность - прокладка» R1S, термического сопротивления, зависящего от толщины δ и теплопроводности λ материала прокладки δ/λ, а также термического сопротивления на границе «прокладка - теплопринимающая контактная поверхность» R2S:

Построив по результатам испытаний (ASTM D 5470, ASTM E 1350) линейную зависимость R = ƒ(δ) для данной марки КПТД- материала возможно определить суммарное удельное контактное термическое сопротивление на границе «контактная поверхность-материал» RS= R1S + R2S по графику в точке δ = 0 , а также определить истинную теплопроводность материала прокладки λ, Вт/(м•К):

Определив экспериментальным путем для различных материалов значения RS и λ возможно достаточно точно рассчитать суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R, и, зная площадь поверхности прокладки F, вычислить ее термическое сопротивление RF, К/Вт, при различных толщинах материала:

Ниже на диаграмме приведены значения суммарного удельного термического сопротивления R КПТД-материалов, определенные в сопоставимых условиях эксплуатации данных видов материалов.

Для компаундов КПТД-1 номинальная толщина слоя при вклеивании радиатора на теплоотдающую поверхность прибора составляла δ = 0,1 ± 0,05mm , листовые материалы КПТД-2 испытывались при номинальной толщине листа δ = 0,2 ± 0,015mm , толщина остаточного слоя термопаст КПТД-3 при испытаниях составляла 20-35 мкм. Результаты получены при напряжении сжатия прижимных поверхностей P = 0,69 MПa (100 psi), температуре материала 80-110°С и плотности теплового потока 4,5-9 Вт/см2. Прижимные поверхности были выполнены согласно ASTM D 5470, ASTM E 1350 в виде дисков диаметром 32 мм (поверхность теплопередачи F = 8,04 cm², формат прокладки Т0-3), а также в виде дисков диаметром 50 мм.

Результаты измерений показали, что термопасты КПТД-3 при сжатии формируют минимальную толщину слоя теплопроводящего материала за счет вязко-пластичных свойств и при этом за счет высокой адгезии и комформности к поверхности обеспечивают минимальное суммарное контактное термическое сопротивление на уровне RS = 0,045 - 0,055(К•см²)/Вт. При заливке компаундами КПТД-1 с последующим сжатием после полимеризации комформность материала к поверхности несколько снижается в сравнении с термопастами, а контактное термическое сопротивление увеличивается: RS = 0,17 - 0,22 (К•см²)/Вт

Далее по степени конформности к контактной поверхности следуют листовые материалы с повышенной эластичностью КПТД-2М: RS = 0,19 - 0,23 (К•см²)/Вт . Нанесение на поверхность стандартного листового материала КПТД-2 липкого клеящего слоя (ЛК) или липкой позиционирующей смазки (ЛП) также увеличивает комформность в сравнении с материалом без липкого слоя, и при этом RS = 0,55 - 0,80(К•см2)/Вт . Для стандартного эластичного листового материала КПТД-2 без липкого слоя RS = 0,90 - 1,05 (К•см²)/Вт .

Таким образом, на основании полученных результатов, величину суммарного удельного контактного сопротивления RS следует считать достаточно объективным сравнительным показателем комформности КПТД-материалов к контактной поверхности. В представленных ниже материалах данный показатель используется для оценочного расчета термического сопротивления теплопроводящих материалов НОМАКОН™ КПТД.

Комформность листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М к контактной поверхности и, соответственно, контактное термическое сопротивление, в существенной мере определяются их эластичностью. Эластичность (сжимаемость) КПТД-материалов характеризуется величиной модуля упругости E, МПа/мм, рассчитываемого по величине абсолютной деформации материала при сжатии, а также степенью сжатия материала Δδ , %, рассчитываемой, как отношение величины абсолютной деформации листа при сжатии к исходной толщине листового материала. В зависимости от приложенного напряжения сжатия в пределах σ = 0,07 - 40 МПа максимальная степень сжатия, при которой не происходит разрушение материала, может достигать величины Δδ= 65-80% .

Номинальное рабочее напряжение сжатия σ10 , МПа определяет допустимую относительную деформацию листа материала (степень сжатия) в пределах до 10% от его исходной толщины, при которой изготовителем гарантируются его прочностные, электроизоляционные и теплопроводящие свойства, представленные в нормативных документах на КПТД-материалы. Предельное напряжение сжатия σ50 , Мпа, определяет степень сжатия листа материала в пределах до 50% от его исходной толщины при которой не происходит потеря эластичности, и в последующем, при снятии напряжения сжатия материал восстанавливается до исходной толщины и сохраняет свои свойства. Не допускается эксплуатация изделий из материалов КПТД-2 и КПТД-2М при превышении предельного напряжения сжатия. Представленные ниже кривые сжатия листовых КПТД-материалов получены согласно ГОСТ 26605 на образцах диаметром 40 мм при скорости движения сжимающей поверхности 0,5 мм/мин.

Сжатие листовых материалов КПТД-2

Сжатие листовых материалов КПТД-2M

Эластичность стандартных листовых материалов КПТД-2 толщиной 0,18-0,35 мм характеризуется линейным характером деформаций при сжатии вплоть до предельных напряжений сжатия σ50= 23,9 - 30,6 МПа . В области номинальных рабочих напряжений сжатия σ10= 3,5 - 5,6 МПа остаточную толщину листа материала δ , мм, при сжатии возможно определить по зависимости:

где δ0 - исходная толщина листа, мм; σ - напряжение сжатия, МПа; E - модуль упругости материала при расчете абсолютной деформации листа, МПа/мм.

Для материалов КПТД-2 толщиной 0,18-0,35 мм, сжимаемых в пределах номинальных рабочих напряжений сжатия, модуль упругости не значительно зависит от исходной толщины листа и составляет для различных толщин листа:

Листовые материалы с повышенной эластичностью КПТД-2М толщиной 0,20-0,50 мм имеют выраженный нелинейный характер деформаций при сжатии до предельных напряжений сжатия σ50= 2,9 - 8,0 МПа. При этом в пределах номинальных рабочих напряжений сжатия σ10= 0,6 - 2,1 МПа характер деформации листа заданной исходной толщины δ0 возможно принять линейным и вычислить остаточную толщину листа δ по формуле 5. Ниже приведены значения модуля упругости для различных толщин материалов КПТД-2М в области линейных деформаций сжатия:

Сравнительный анализ эластичности листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М по значениям модуля упругости показывает, что при равных толщинах листа материалы КПТД-2М имеют модуль упругости в 1,5-2,7 раза меньший и, соответственно, имеют в 1,5-2,7 раза большую эластичность при сжатии. Аналогичное сравнение материалов по величине удельного контактного термического сопротивления (конформности к контактной поверхности) RS показывает, что значения RS и E хорошо коррелируют между собой: чем меньше значение модуля упругости (или чем выше эластичность), тем ниже удельное контактное термическое сопротивление (или тем выше конформность материала к контактной поверхности).

Другой важной специфической особенностью эластичных КПТД-материалов является их явно выраженная термическая релаксация, т.е. снижение величины термического сопротивления в соединении «теплоотдающая поверхность - теплопроводящий материал - теплопринимающая поверхность» с течением времени. Величина релаксационного снижения термического сопротивления ΔRτ зависит от вида материала, времени «приработки» материала (обычно 20-150 часов) и рабочего напряжения сжатия (0,07-1,7 МПа). Эффект термической релаксации возможно объяснить перестройкой внутренней гетерогенной структуры деформированного материала из неравновесного состояния к более равновесному с увеличением так называемой внутренней трехмерной кластерной теплопроводности. В течение времени приработки снижается также суммарное удельное контактное сопротивление RS, т.е. увеличивается конформность материала к контактной поверхности.

Термическая релаксация наиболее выражена для листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М. На графиках представлены зависимости термического сопротивления материалов от напряжения сжатия при различном времени приработки материала. В данном случае величина релаксационного снижения термического сопротивления ΔRτ составляет 5,5-17,0 % от величины суммарного термического сопротивления R, определенного в течение первого цикла сжатия и нагрева (1–го термоцикла) при испытании материала.

Термическая релаксация материалов КПТД-2

Термическая релаксация материалов КПТД-2M