Skvělé způsoby odvádění tepla z palubní elektroniky

Téměř každý, kdo vlastní vozidlo, může být v posledních letech svědkem vývoje palubní elektroniky. Všichni řidiči si jistě všimli, že použitá elektronika je stále kompaktnější. Tento posun v rozměrech je způsoben konstrukcí a výrobou stále menších součástek a sestav desek plošných spojů. Dalším trendem je rychle rostoucí funkčnost elektronických zařízení ve vozidle, na čemž se podílí inteligentnější možnosti návrhu komplexních sestav. S těmito působivými a velmi žádoucími pokroky však přichází pro konstruktéry elektroniky řada výzev, z nichž je v neposlední řadě odvod tepla z desek plošných spojů kvůli zajištění spolehlivého provozu. Žádný výrobce ani prodejce nechce, aby se vozidla vracela kvůli vadné elektronice, zejména ne v záruční době.

Stejně jako u většiny technických výzev závisí i řešení odvodu tepla do značné míry na dané aplikaci. Divize Parker Chomerics se setkává s mnoha různými požadavky konstruktérů automobilových částí a systémů, kteří se snaží najít optimální materiál vhodný pro tepelné rozhraní (TIM – Thermal Interface material), který by splňoval jejich požadavky na použití. Následující čtyři příklady poskytují představu o různých dostupných typech řešení a jejich výhodách.

DPS infotainmentu

Vysoce funkční moduly infotainmentu jsou žádaným lákadlem pro dnešní kupce automobilů, zejména na trhu prémiových vozů. Když tedy významný výrobce automobilových infotainment systémů začal hledat nejlepší možný materiál TIM, stanovil si několik důležitých požadavků. Za prvé musel být tento materiál dostatečně přizpůsobivý, aby vyplnil pět míst na desce, každé s jinou výškou mezery a jiným půdorysem. Produkt také musel splňovat specifický teplotní limit, protože deska plošných spojů se pájela přetavováním při teplotách až 245 °C. To je potenciální problém pro gely na bázi silikonu, které obvykle nabízejí horní provozní teplotu pouze 200 °C.

Stručně řečeno, výrobce potřeboval poradit s optimálním materiálem a správným množstvím gelu, které se mělo v každém místě dávkovat, stejně jako s nejlepším dávkovacím zařízením pro sériovou výrobu. I když zákazník poskytl k posouzení vyrobenou desku plošných spojů, zkušební tým si vytvořil na 3D tiskárně několik replik, které lépe posloužily k nalezení vhodného řešení.

Vyhodnocení potenciálních materiálů na vytištěných 3D prototypech proběhlo pomocí přesného dávkovacího systému. Nakonec byl vybrán tepelný tmel THERM-A-GAP™ TC50 díky jeho vysokému součiniteli tepelné vodivosti (5,0 W/m.K) a snadnému dávkování. Důležité je, že technický tým zákazníka viděl testy z první ruky a poskytl předběžné schválení materiálu.

Následné experimenty hodnotily účinky vysokých teplot na tepelné a mechanické vlastnosti směsi TIM. Vystavení vzorků pájení přetavením při 245 °C ukázalo, že se tepelná impedance a viskozita v průběhu času nezměnily. Nakonec byla kompletní sestava (deska plošných spojů s materiálem TIM a krytem) podrobena hodnocení po pájení se skutečným profilem přetavení, kde si gel TC50 zachoval svou reologickou strukturu a očekávané tepelné vlastnosti, a řádně tak získal plné schválení pro použití.

Obr. 1  THERM-A-GAP TC50

Výkonový měnič

OEM výrobci elektrických a hybridních vozidel musí překonat určitou výzvu týkající se rostoucího používání příslušenství na 12 a 24 V. Namísto tradičního alternátoru používají tato vozidla k napájení příslušenství DC/DC měniče napětí. Takové výkonové měniče musí vykazovat řadu vlastností, včetně spolehlivosti, nízké hmotnosti a vysoké účinnosti, nízkého zvlnění proudu i napětí a nízkého elektromagnetického rušení. Tyto měniče však generují teplo, které vyžaduje účinný odvod přes jejich kryt. Tváří v tvář této výzvě se dodavatel komponentů pro elektromobily obrátil na divizi Parker Chomerics s řadou požadavků na materiál TIM pro svůj výkonový měnič.

V první řadě zákazník požadoval vysoký průtok materiálu, který by odpovídal tempu velkoobjemové aplikace dávkování, a menší přítlačnou sílu, než vyžadují teplovodivé podložky a gely konkurenčních řešení. Mezi další faktory na seznamu požadavků patřila nízká tepelná impedance pro efektivní přenos tepla, možnost vyplnění úzkých štěrbin ve výkonovém měniči a spolehlivost při vertikálním testování a aplikacích s vysokými vibracemi. Produkt musel také vykazovat dobrou dielektrickou pevnost.

Po pečlivém posouzení se jako optimální řešení ukázal vysoce přizpůsobivý, předem vytvrzený jednosložkový materiál THERM-A-GAP™ GEL 30, který nabízí součinitel tepelné vodivosti 3,5 W/m.K, průtok 20 g/m a doporučenou minimální šířku vyplnění mezery pouhých 0,10 mm. Jelikož se jedná o materiál určený pro automobilový průmysl, měli navíc konstruktéři produktu od počátku na paměti vertikální aplikace a spolehlivost při dlouhodobém vystavení vibracím.

Dnes může výrobce tento materiál snadno nanášet na chladič v různých vzorech. Ačkoli se v současné době používá řešení se zásobníkem 300 cm³, při přechodu na velkosériovou výrobu bude použito čerpadlo se zásobníkem 3,79 litru (1 galon) a ventilový dávkovací systém.

Obr. 2  THERM-A-GAP™ GEL 30

Modul ADAS

Některé aplikace samozřejmě vzbuzují obavy ze znečištění silikonem, jako je například umístění optických čoček v sestavě automobilové kamery, která tvoří součást modulů ADAS (Advanced Driver Assistance System − pokročilý systém asistence řidiče). Další výzvou související s moduly ADAS jsou čipy a polovodičové obrazové snímače uvnitř kamerových sestav, které často vyžadují zvýšené úsilí při odvodu tepla.

Příkladem může být významný výrobce multifunkčních kamerových systémů pro automobilový průmysl, který umístil modul kamerového snímače s deskou plošných spojů do blízkosti vestavěného čipu, jenž během zatížení vyzařuje teplo. Možnost kontaminace silikonem v případě objektivu kamery blízko desky plošných spojů jenom zvýšila důležitost výběru vhodně specifikovaného materiálu TIM.

Jasným požadavkem byl tepelný materiál bez silikonu, podpořený souladem s automobilovými normami PWIS (Paint- Wetting Impairment Substances). Navzdory dostupnosti podložek bez silikonu pro přenos tepla (thermal gap pads) nebyly praktickou volbou při velkosériové výrobě nové sestavy kamery. Bylo zřejmé, že potřebným požadavkům na výkon ve výrobě může vyhovět pouze materiál, který se dá nanášet.

Bezsilikonový gel THERM-A-GAP™ GEL 25NS splňoval požadavky díky svému součiniteli tepelné vodivosti 2,5 W/m.K. V rámci komplexního procesu hodnocení byla pomocí simulace metodou konečných prvků (MKP) předpovězena reakční síla použitého gelu během jeho instalace a po ní. Simulace ukázala, že materiál nezpůsobí deformaci a/nebo poškození desky plošných spojů či integrovaných obvodů. Další výhodou je jeho žlutá barva, která umožňuje snadné rozpoznání kamerami montážní linky.

Bezpečnostní modul pro ADAS

Všechny moduly ADAS obvykle vyžadují vysoce výkonné, roboticky nanášené materiály TIM, které nabízejí snadné dávkování, měkkou kompresi a průtok odpovídající požadavkům velkoobjemové výroby. V této aplikaci bezpečnostního modulu ADAS zákazník zpočátku upřednostňoval tepelně vodivé podložky před dávkovatelnými materiály TIM, zejména kvůli předchozím negativním zkušenostem s nimi. Podložky by však pro tak velkoobjemovou aplikaci nebyly vhodnou volbou, a to tím spíše, že materiál musel mít vyšší součinitel tepelné vodivosti než podložky, které zákazník obvykle používá (>3 W/m.K).

Zákazník nakonec zvolil jako optimální materiál TIM produkt THERM-A-GAP™ GEL 45. Rozsáhlé testování ukázalo, že produkt dokáže zajistit průtok vhodný pro vysoce výkonnou výrobu (55 g/min) podpořený součinitelem tepelné vodivosti 4,5 W/m.K. Díky černé barvě gelu také vynikne před kamerami na montážní lince zákazníka.

Splnění požadavků moderního automobilového průmyslu

Tyto čtyři případy použití ukazují, že inovativní produktové inženýrství a odborné znalosti aplikací jsou klíčové pro uspokojení poptávky po účinném chlazení palubní elektroniky nejnovější generace v odvětvích, jako je automotive průmysl. Překonáním různých výzev, jako jsou snadné dávkování, přizpůsobivost, nízká stlačovací síla a dlouhá životnost, mohou konstruktéři zajistit, aby se jejich výrobky odlišily na trhu a přinášely zákazníkům skutečnou přidanou hodnotu.

Odkazy:

[1] www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Chomerics/Parker-Chomerics-Dispensing-Guide.pdf

[2] www.parker.com/chomerics