Теплопроводящие подложки Dow Corning

Антон Большаков

Введение

Теплопроводящие подложки Dow Corning (таблица) — это готовые к применению подложки из предварительно полимеризованного силиконового геля
или эластомера с наполнителем, обеспечивающим
заданную теплопроводность. Подложки могут быть
армированными стекловолокном или иметь вспененную гелевую структуру.

Армирование подложек стекловолокном позволяет использовать их для отвода тепла при минимальных зазорах между тепловыделяющим компонен-
том и радиатором, а также защитить печатный узел
от загрязнений и механических частиц, присутствующих на радиаторе.

Теплопроводящие подложки, содержащие вспененную гелевую структуру, хорошо подходят для
больших зазоров и компенсируют неравномерность,
шероховатость и непараллельность поверхностей
при минимальном усилии сжатия.

Теплопроводные подложки Dow Corning® обладают высокими теплопроводными свойствами, просты в применении и не требуют процессов полиме-
ризации при нанесении, что в свою очередь способствует широкому применению данных материалов
в различных устройствах, например:

• контроллерах и процессорах;
• силовых компонентах и модулях;
• оптических компонентах, таких как лазерные диоды, мультиплексоры, приемопередатчики;
• сенсорах;
• источниках питания;
• модулях памяти;
• модулях управления двигателем;
• трансформаторах высокого напряжения;
• автомобильной электронике.

Важные характеристики подложек: теплопроводность и тепловое сопротивление

Это одни из основных характеристик, которые
приводятся в технической документации. Ими руководствуются при выборе.

Теплопроводность (Вт/м·К), или объемная теплопроводность, связана с присущей каждому материалу способностью передавать тепло. Для теплопередающего материала объемная теплопроводность зависит от теплопроводности наполнителя и его
массовой доли в составе материала.

Тепловое сопротивление (°С/Вт) — свойство материала препятствовать передаче тепла. Величина
теплового сопротивления зависит от толщины материала, площади и характеристик соединяемых поверхностей. Предпочтение нужно отдавать материалу, позволяющему получить наименьшее тепловое
сопротивление.

Таблица. Номенклатура теплопроводящих подложек Dow Corning

Тепловое сопротивление
или теплопроводность?

Какая характеристика наиболее важна для выбора
теплопроводящей подложки: тепловое сопротивление или теплопроводность? Для ответа на этот вопрос следует учесть толщину зазора, где предпола-
гается расположить подложку (рис. 1).

Если необходимо использовать теплопроводящий материал толщиной меньше 50 мкм,
то основная характеристика — это тепловое
сопротивление, так как в данном случае тепловое сопротивление между фазами гораздо
больше, чем тепловое сопротивление самого
теплопроводящего материала.

Для соединения, чья толщина больше
150 мкм, ситуация обратная: тепловое сопротивление материала гораздо больше, чем тепловое сопротивление перехода между фазами.
А значит, в этом случае доминирующей характеристикой является теплопроводность материала.

Как быть, если размеры зазора лежат в диапазоне 50–150 мкм? Тогда нужно подбирать
материал с оптимальными характеристиками
теплового сопротивления и теплопроводности и проводить испытания для определения
доминирующего параметра.

Пути оптимизации для повышения эффективности отвода тепла:

• достижение максимальной теплопроводности подложек;
• уменьшение величины зазора между компонентом и радиатором;
• уменьшение контактного сопротивления
  между поверхностями и теплопроводящим
  материалом.

Не менее важные характеристики:
мягкость и сжимаемость

Величина контактного теплового сопротивления также зависит от того, насколько плотно материал прилегает к поверхностям, в том
числе неровным или непараллельным. Благодаря мягкости силиконовые теплопроводящие
пленки подложки плотно прилегают к поверхности печатного узла и максимально повторяют его форму (рис. 2). Это позволяет обеспечить высокую эффективность теплопередачи
от электронного компонента к радиатору. В общем случае, подложки, обладающие наибольшими значениями сжатия, обеспечивают меньшее тепловое сопротивление, меньшую нагрузку на компоненты и лучшие характеристики.

Выбирая теплопроводящие подложки, очень
важно уделить внимание такому параметру,
как сжимаемость. Например, если перед разработчиком стоит задача обеспечить отвод тепла на радиатор от печатного узла с компонентами различной высоты. Для решения такой
задачи лучше применять не несколько подложек для каждого компонента, а одну большую
на весь печатный узел, что позволит обеспечить повышение производительности установки подложек, а также дополнительное демпфирование ударных и вибрационных нагрузок во время эксплуатации и транспортировки
изделия. При таком решении следует учитывать усилие, с которым сжатая подложка воздействует на компоненты различной высоты.
Следует определить, не превышает ли это усилие максимально допустимое, но оно должно
быть достаточным для обеспечения хорошего контакта, чтобы обеспечить теплоотвод
с более низкого компонента.

На рис. 3 приведен пример такого решения.
Обеспечение качественного контакта теплопроводящей подложки с низким компонентом требует ее сжатия на 25% и усилия на компонент 0,07 кгс/см2. При этом с высоким компонентом обеспечивается контакт сжатием
подложки на 50% и усилием 1,75 кгс/см2.

Чтобы убедиться, что при предполагаемой
величине сжатия теплопроводящей подложки усилие на компонент не будет превышать
допустимого, разработчику достаточно посмотреть техническое описание, где приводится
зависимость усилия от степени сжатия и теплового сопротивления от усилия (рис. 4).

Преимущества силиконов — преимущества подложек

Помимо обеспечения эффективного отвода
тепла теплопроводящие подложки обладают
всеми свойствами, присущими силиконам: это
сохранение своих физических и электрических свойств в широком диапазоне температур и влажности, стойкость к воздействию озона
и деградации под действием ультрафиолета,
а также хорошую химическую стойкость.

Форма поставки имеет значение

Стандартная поставка теплопроводящих
подложек осуществляется в листах или рулонах (рис. 5).

Интересное предложение компании Dow
Corning — это поставка уже вырубленных
подложек по чертежам, которые предоставил
заказчик, что позволяет получить подложки
сложной геометрической формы. При таком
варианте, по сравнению с теплопроводящими
пастами, обеспечивается стабильный объем
теплопроводящего материала для каждого
компонента. Процесс установки сводится
к простому снятию подложки с пленки-носителя и установки ее на печатный узел. Причем
такой процесс можно реализовать с использованием установщиков SMD-компонентов.

Заключение

Подложки Dow Corning доступны со значением теплопроводности от 1,3 до 4,5 Вт/м·К,
они могут быть различной ширины и мягкости (рис. 6).

Поставляются готовыми к применению в листах, рулонах, вырубке и не требуют подготовительных операций, не нужно дозировать материал и проводить его полимеризацию.

Подложки Dow Corning обеспечивают демпфирование ударных и вибрационных нагрузок и эксплуатацию в широком диапазоне температур, демонстрируют хорошие электроизоляционные свойства.

Их с успехом можно применять на неровных
и непараллельных поверхностях с минимальным усилием воздействия на компоненты.
При этом обеспечивается простота использования и замены при ремонте.