Řešení elektromagnetického rušení (EMI) pomocí tepelně vodivých pásek 3M

Drahé procesory a grafické prostředky o vysokém výkonu dnes pracují stále vyššími rychlostmi a generují „horkých“ 50 až 80 nebo i více wattů. Mnohé důmyslně řešené procesory běží na gigahertzových (GHz) rychlostech a na výkonových hladinách 100 W i vyšších. Se zrychlováním těchto prostředků a jejich vybavováním dalšími funkcemi vyvstávají stále nové problémy s teplem a EMI i jejich četná řešení.

Tepelný dopad vyšších frekvencí

Výkonový křemíkový prvek pracuje v požadovaném frekvenčním pásmu, generuje teplo a EMI. S rostoucí frekvencí se zvyšuje i množství generovaného tepla, které může zhoršit parametry prvku nebo jej zcela vyřadit z funkce.

V případě těchto aplikací pracujících se stále vyššími výkony/frekvencemi je nutné teplo odvádět, protože jinak hrozí nebezpečí poškození prvků. Způsob zvládání tepelné problematiky je v podstatě stejný u prvků pracujících s nízkými i vyššími výkony, avšak u nižších výkonů je daleko více možností, jelikož je nižší i „hustota výkonu“ vyjádřená jako poměr ztrátového výkonu k ploše. Ve všech případech je potřebné odvést teplo z „horkého“ prvku do chladnějšího prostředí. Toho lze dosáhnout pomocí prostředku pro odvod tepla čili chladiče, který rozptyluje teplo a odvádí je do prostředí. Klíčem k vyřešení tepelné problematiky je efektivní kontakt „horkého“ prvku s příslušným rozptylovým chladičem realizovaný s využitím tepelně vodivého kontaktního materiálu (Thermal Interface Material – TIM). Prvořadým účelem takového TIM je zvýšit tepelný tok z horkých míst k chladnějším tak, aby se žádná horká místa či místa o vysokém tepelném odporu nevyskytovala a nemohla tedy vést k přehřátí prvku.

Různá provedení tepelně vodivých kontaktních materiálů pro nižší výkony

Neadhezní systémy mají široké uplatnění. Patří sem tepelně vodivé pasty, materiály pro fázové přechody a polštářky vyplňující mezery. K adhezním systémům se řadí tekuté termosety, jakými jsou např. dvousložkové epoxidy, tlakem aktivované lepicí (PSA) pásky a termoplastické či termosetické lepicí fólie. V případě neadhezních systémů konstruktéři nepotřebují slaďovat tolik finálních charakteristik jako u adhezních systémů. U prvků dimenzovaných na nižší výkony může být efektivní tepelný odpor velmi nízký a to vzhledem k dobré smáčivosti, tenkosti vrstvy a přiměřené až vysoké objemové vodivosti. Pasta vyplní i případné nerovnoměrnosti povrchu – srovná i velmi nerovné úseky, je-li aplikována v dostatečném množství. Běžně se nanáší mezi procesorový čip a příslušný chladič. U níže výkonově dimenzovaných prvků někdy potřeba pasty odpadá, jelikož je i hustota výkonu nižší; zde je možno provést montáž s využitím jiných možností, např. tepelně vodivé pásky, bez jakýchkoli spon či šroubů, což představuje úsporu nákladů na montáž a snížení možnosti migrace křemíku.

Materiály pro fázové přechody (Phase Change Materials – PCM) umožňují konverting; jejich použití je ve srovnání s pastou snazší. Tavné pojivo smočí obě plochy a utvoří na nich tenký, tepelně vodivý spoj o nízké impedanci. Běžně se aplikuje mezi centrální procesor (CPU) a jeho chladič. V případě prvků pracujících s nízkými výkony vedly obecně vyšší parametry PCM spolu s potřebou mechanického upevnění jen k omezenému využití.

Tepelně vodivé polštářky na bázi křemíkových či akrylových elastomerů s plnivem upraveným z hlediska tepelných parametrů tvoří tlusté vrstvy, jsou měkké a pohodlně se jimi manipuluje tam, kde je třeba vyplnit mezery a zajistit dobré tepelně vodivé cesty. Typicky se vkládají mezi horký prvek a jeho chladič, resp. šasi. U nízkovýkonových aplikací mohou být tepelně vodivé polštářky schůdnou alternativou, jelikož může vyvstat potřeba zaplnění mezer vzhledem k technologickým omezením. V této oblasti skýtají levnější akrylové podušky cenové zvýhodnění před silikonovými polštářky. Aplikace pracující s nižšími výkony obecně nepotřebují vyšší tepelný odpor příznačný pro silikonové polštářky.

Tlakem aktivované tepelně vodivé adhezní pásky jsou snadno použitelné, čistě se s nimi pracuje. Drží na kontaktních plochách bez jakýchkoli mechanických upevňovacích prostředků a díky dobré smáčivosti jsou zárukou nízké impedance. Běžná aplikace obnáší přilepení chladiče k čipu s regulátorem, příp. nalepení řady LED diod na vytlačovaný hliníkový chladič, který zároveň plní funkci nosného prvku. Akrylové tepelně izolační pásky jsou nákladově rentabilní u nízkovýkonových prvků. Vesměs splňují potřeby dané aplikace co do hodnoty tepelného odporu.

Tepelně vodivá adhezní přechodová páska 3M řady 8800 byla speciálně vyvinutá jako rentabilní alternativa o nezbytné pevnosti, vodivosti a spolehlivosti pro prvky přenášející nižší výkony. Tyto čtyři pásky jsou opatřeny na omak lepivou, tlakem aktivovanou adhezní vrstvou bez nosného podkladu, avšak o vysoké soudržnosti. Páska je v celé své tloušťce vyplněna adhezním činidlem s tepelně vodivými keramickými plnivy, které vytvářejí cesty, po nichž se především přenáší teplo. Speciální chemické složení zajišťuje parametry na úrovni příštích generací, zvláště pak měkkost, která je podmínkou přizpůsobivosti nerovným plochám, vysokou přilnavost, dobrou smáčivost a kvalitní tepelně vodivé rozhraní. Díky lepší smáčivosti bylo dosaženo vyšších mechanických i tepelných parametrů.

Nezávislými laboratorními zkouškami, které provedly Underwriters Labortories, se prokázalo, že pásky 3M 8805-8815 splňují zkušební požadavky standardu UL-446C co do odolnosti vůči provozní teplotě, vlhkosti a dielektrické pevnosti.

V případě nízkovýkonových aplikací, kde je požadavkem řešení pro vyplnění mezer, skýtají tepelně vodivé akrylové polštářky 3M 5589H a 5590H vynikající tepelnou vodivost, slušnou tepelnou stabilitu, dostatečnou hebkost a dobré hodnocení UL.

3M Česko, spol. s. r. o., V Parku 2343/24, 148 00 Praha 4, tel.: 261 380 111