Materiály pro termální management

Při úvahách o zajištění potřebných teplotních poměrů v elektronických sestavách je jistě dobré začít výběrem materiálu. Jak už to ale v těchto záležitostech někdy bývá, člověk nikdy neví, co se stane. K dispozici je celá řada materiálů i metod, které mohou být použity v závislosti na konkrétních podmínkách dané aplikace – provozní prostředí, rozmístění součástek, geometrie sestavy atd.

První otázka, kterou bychom si měli položit, je asi tato: Co zamýšlím použít pro zajištění teplotních poměrů a jak to chci realizovat? Je pět hlavních skupin materiálů, které by bylo možné pro tento účel použít, a ty se ještě dále dělí podle jejich chemického složení a výsledných vlastností. Zahrnují tepelně vodivé pasty, které se musí (nebo nemusí) vytvrzovat, adhezivní a bondovací materiály, pryskyřice pro zapouzdření, tepelně vodivé výplně mezer a materiály, které mění svůj stav (phase change material).

Tak například pasty, které se nemusí vytvrzovat, jsou ideální v případech, kdy může dojít k dodatečným úpravám sestavy. Jsou založeny na různých olejích, které zajišťují požadované vlastnosti – např. produkty se silikonem nabízejí široký rozsah pracovních teplot.

Obecně řečeno, produkty, které nevyžadují vytvrzení, by měly být aplikovány v nejslabších možných vrstvách a s minimálním přesahem a měly by být dobře promíchány, aby z nich neunikal olej. Důležité je nenechat se strhnout nanášet silné vrstvy – to výsledek nejen nezlepší, ale může ho naopak zhoršit. Je dobré si uvědomit, že tloušťka vrstvy materiálu pro přenos tepla určuje jeho rychlost – čím je vrstva silnější, tím pomalejší bude rychlost přenosu tepla.

Pokud je pravděpodobné, že se bude elektronická sestava předělávat, potom lze zvažovat produkty, které se vytvrzují nebo produkty bondovací. U produktů s nutností vytvrzení je ovšem dobré znát dobu potřebnou pro toto vytvrzení. Když totiž materiál schne rychle, například na dotyk, nebude vhodný pro sítotisk, protože vytvrzený materiál bude síto blokovat.

Obejít tento problém lze použitím síta s velikostí ok vhodnou pro danou pastu. Je také potřeba zajistit, aby síto zvládlo požadovanou tloušťku pasty. V případě použití automatického nanášecího zařízení, je nutné vzít v úvahu profil zrna pasty a její množství, aby bylo možné nanášet i minimální množství materiálu.

Termální bondovací materiál může být vhodný, když má chladič pevně držet na svém místě bez použití šroubů. V takovém případě je důležité, aby byla správná vazební síla bondovacího materiálu a nemohlo dojít k uvolnění chladiče v důsledku rázu nebo vibrací. Alternativou může být použití termální podložky pro vyplnění mezery, kterou lze dostat upravenou na určitou velikost. Tuto podložku lze manuálně aplikovat bez použití nanášecího zařízení, čistým způsobem a bez zbytků. Termální podložky zůstávají během teplotních cyklů na svém místě, nepohybují se a netrpí problémem některých termálních past, které se v takových případech vytlačují z mezery ven.

Je důležité si pamatovat, že teplovodivé podložky představují silnější vrstvu materiálu pro přenos tepla a mají tudíž větší tepelný odpor. Nejlepší výsledky mají tam, kde jsou pod tlakem, protože mohou zajistit maximální kontakt s navazujícími plochami. Působením tlaku vyplní materiál podložky vzduchové kapsy a účinně tak sníží tepelný odpor.

Jinou možností, jak zajistit odvod tepla z elektronických součástek, je použití tepelně vodivých zalévacích pryskyřic. Ty jsou určeny pro ochranu v nepříznivém prostředí. Pro lepší přenos tepla bývají zalévací pryskyřice často vyplněny tepelně vodivými výplněmi, zatímco základní pryskyřice, vytvrzovač a další přísady mohou být upraveny, aby co nejlépe vyhovovaly daným požadavkům.

Při použití vylévacích pryskyřic bývá zpravidla zalita celá deska plošných spojů. Potřebné množství pryskyřice je dáno požadovanou úrovní ochrany, ale i dalšími faktory, jako jsou hmotnost a objem pryskyřice. Ve vytvrzené pryskyřici by neměly být vzduchové bubliny, které mají vliv na její elektrické vlastnosti a přenos tepla. Jako u všech pryskyřic je nutné při míchání dodržet správný poměr a zajistit jeho provedení bez přístupu vzduchu.

Při použití bondovacích materiálů je potřeba vzít v úvahu substrát a zamýšlenou tloušťku bondovacího materiálu. V tomto případě je nejdůležitějším aspektem nutnost absence vzduchu mezi komponenty, protože ten je špatným vodičem tepla. Dokonce i malé množství zachyceného vzduchu, např. díky nerovnému povrchu nebo tloušťce materiálu větší, než byla vypočtena, snižuje přenos tepla.

Je třeba rozhodnout, zda daná aplikace vyžaduje tenký teplovodivý materiál, jako jsou pasty, nebo je naopak vyžadována silnější teplovodivá výplň mezer, která bývá obvykle použita pro tloušťky větší než 500 μm. Při aplikaci materiálu je potřeba zajistit úplné vyplnění prostoru mezi součástkou a chladičem a vytlačení veškerého vzduchu z tohoto prostoru – toho lze dosáhnout aplikováním teplovodivého materiálu do středu ploch a jejich stlačením k sobě, čímž se nadbytečný materiál vytlačí ven.

Více informací: www.electrolube.com/blog/2019/06/18/thermal-management-materials-do-and-donts/