Materiały Termoprzewodzące
advertisement
Materiały Termoprzewodzące Zaawansowane materiały zwiększające żywotność i niezawodność urządzeń elektronicznych Materiały termoprzewodzące 1 Wstęp Celem stosowania produktów termoprzewodzących w procesie montażu urządzeń z mikroukładów elektronicznych jest skuteczne odprowadzenie ciepła ze złącza półprzewodnikowego do otaczającego środowiska. Proces odprowadzania ciepła można podzielić na trzy główne fazy: 1) wymiana ciepła w obrębie obudowy elementu półprzewodnikowego, 2) wymiana ciepła od obudowy do elementu rozpraszającego ciepło (radiator), 3) wymiana ciepła od elementu rozpraszającego ciepło (radiatora) do otaczającego środowiska (ostateczny odbiornik ciepła). Pierwsza faza jest na ogół poza kontrolą projektanta odpowiedzialnego za procesy termiczne ponieważ typ obudowy określa wewnętrzny proces wymiany ciepła. W drugiej i trzeciej fazie celem projektanta jest zaprojektowanie skutecznego połączenia termicznego pomiędzy radiatorem a otaczającym środowiskiem. Osiągnięcie tego celu wymaga poznania fundamentalnych praw opisujących przepływ ciepła, jak również wiedzy o dostępnych materiałach złączowych i ich właściwościach fizycznych mających wpływ na proces wymiany ciepła. 2 Podstawy teoretyczne Szybkość z którą ciepło przewodzone jest przez materiał jest proporcjonalne do powierzchni prostopadłej do kierunku przepływu ciepła i do gradientu (różnicy) temperatury wzdłuż drogi przepływu ciepła. Dla układu jednowymiarowego przy ustalonym przepływie ciepła szybkość wyrażona jest równaniem Fouriera: ΔT (1) Q = kA d Gdzie: Q – szybkość przepływu ciepła [W] k – przewodność termiczna [W/mK] A – powierzchnia styku d – długość drogi przepływu ciepła ΔT – różnica temperatur Przewodność termiczna, k, jest wewnętrzną cechą materiałów jednorodnych (homogenicznych) która opisuje zdolność materiału do przewodzenia ciepła. Cecha ta jest niezależna od wymiarów materiału, jego kształtu i orientacji. Dla materiałów niejednorodnych, posiadających przykładowo wzmocnienie z siatki szklanej lub cienkiej warstwy polimeru, używa się pojęcia względnej przewodności termicznej ponieważ przewodność cieplna tych materiałów zależy od względnej grubości warstw i ich orientacji w odniesieniu do przepływu ciepła. Kolejną właściwością termiczną materiału jest jego rezystancja termiczna, R, określona równaniem (2). ΔT R=A (2) Q Właściwość ta określa jak materiał o danej grubości ogranicza przepływ ciepła. Zależność między k i R otrzymujemy podstawiając równanie (2) do równania (1). Po przekształceniach otrzymujemy równanie (3). d k= (3) R 2/8 Materiały termoprzewodzące Równanie (3) pokazuje, że w materiałach jednorodnych rezystancja termiczna jest wprost proporcjonalna do grubości materiału. Dla materiałów niejednorodnych rezystancja najczęściej zwiększa się wraz z grubością materiału, ale nie musi to być zależność liniowa. Przewodność cieplna i rezystancja termiczna opisują przepływ ciepła przez materiał od chwili gdy ciepło wniknęło w materiał. Ponieważ w rzeczywistości nie istnieją materiały o idealnie płaskiej lub gładkiej powierzchni, płaszczyzna styku między powierzchnią a materiałem stanowi większą rezystancję termiczną dla przepływu ciepła. Płaszczyzna ta pokazana jest na rys. 2. Rzeczywisty styk ma miejsce tylko w wystających wierzchołkach, natomiast w miejscach gdzie są wgłębienia powstają puste obszary wypełnione powietrzem. Puste obszary stawiają opór przepływowi ciepła i wymuszają przepływ większego ciepła przez punkty styku. Rys. 2.1a) Schemat dwóch powierzchni i Rys. 2.1b) Materiał łączący ściśnięty między dwoma powierzchniami i przepływ ciepła przez przepływu ciepła przez złącze złącze Impedancja termiczna, θ, materiału definiowana jest jako suma wszystkich rezystancji termicznych i każdej rezystancji zestyku pomiędzy nią a stykającymi się powierzchniami jak opisano we wzorze (4): θ = Rmaterialu + Rstyku (4) Płaskość powierzchni, chropowatość powierzchni, siła zamocowania, grubość materiału, współczynnik sprężystości objętościowej mają największy wpływ na rezystancję styku. Ponieważ powyższe właściwości powierzchni mogą się zmieniać w zależności od aplikacji, impedancja termiczna będzie również zależna od aplikacji. 3 Złączowe materiały termiczne Ciepło wytwarzane przez element półprzewodnikowy musi być odprowadzone to otaczającego środowiska w celu utrzymania temperatury złącza elementu w bezpiecznych granicach. Najczęściej proces odprowadzania ciepła pociąga za sobą przewodzenie ciepła od powierzchni obudowy do radiatora, który skutecznie rozprasza ciepło do otaczającego środowiska. Radiator powinien być odpowiednio zamocowany do obudowy w celu minimalizacji rezystancji termicznej nowo powstałego złącza termicznego. Zamocowanie radiatora do powierzchni obudowy półprzewodnika wymaga, aby dwie powierzchnie o standardowej obróbce mechanicznej stały się idealnie przylegające. Powierzchnie te charakteryzują się najczęściej mikroskopową chropowatością z nałożoną na makroskopową niepłaskość co może powodować kształt wklęsły, wypukły lub poskręcany. Gdy dwie takie powierzchnie są łączone, styk ma miejsce tylko w wierzchołkach. Wgłębienia powierzchni tworzą przestrzenie wypełnione powietrzem. Standardowy styk może być utworzony z więcej niż 90% przestrzeni powietrznej, co skutkuje znacznym wzrostem rezystancji termicznej. Materiały termicznie przewodzące używane są do usuwania szczelin powietrznych ze złącza poprzez dopasowanie chropowatych i nierównych powierzchni dopasowywanych materiałów. Ponieważ materiały termicznie przewodzące mają znacznie większą przewodność cieplną od powietrza (które zastępuje), rezystancja złącza będzie znacznie niższa, co skutkuje te niższą temperaturą złącza elementu półprzewodnikowego. 3/8 Materiały termoprzewodzące Na rynku istnieje szeroka gama materiałów termoprzewodzących. Są one odpowiedzią na zmieniające się potrzeby rynku montażu zespołów z mikroukładów. Materiały te można uszeregować według poniższych grup: 3.1 THERMFLOW™ – materiały zmieniające fazę Materiał THERMAFLOW ten jest połączeniem właściwości termicznych substancji podobnej do pasty z wygodą użycia sztywnej podkładki. Stosowany między mikroprocesorami o wysokiej wydajności a radiatorem. • osiąga mniej niż 0,05 °C cal2/W impedancji termicznej, • dostosowuje się przy temperaturach pracy w celu minimalizacji szczelin, • doskonała „wilgotność” powierzchni Rys. 3.1) Materiał zmieniający fazę THERMFLOW™ T310 eliminuje rezystancję styku. Materiały zmieniające fazę zachowują się jak pasty termoprzewodzące po osiągnięciu pewnej temperatury topnienia. Ich lepkość gwałtownie maleje i „wlewają się” w puste szczeliny w złączu. Proces ten wymaga pewnej siły docisku, zazwyczaj kilku psi aby ścisnąć dwie powierzchnie i spowodować przepływ materiału. Proces trwa tak długo dopóki dwie powierzchnie nie zetkną się w minimum 3 punktach lub złącze stanie się tak cienkie, że lepkość materiału nie pozwoli na dalszy jego przepływ. Materiały te nie zapewniają izolacji elektrycznej ponieważ możliwe jest galwaniczne zetknięcie dwóch powierzchni. 3.2 THERMATTACH® – taśmy termoprzewodzące Taśmy termoprzewodzące THERMATTACH to rodzina akrylowych lub silikonowych taśm samoprzylepnych zaprojektowanych specjalnie do bezpiecznego mocowania radiatorów do elementów oddających ciepło. • klej akrylowy przystosowany do mocowania obudów metalowych i ceramicznych do radiatora, • klej silikonowy przystosowany do mocowania obudów plastikowych do radiatora, • związek jonowo czysty nadający się do stosowania wewnątrz obudowy elementu i Rys. 3.2) Taśmy termoprzewodzące THERMATTACH® na płytkach drukowanych, • ograniczona możliwość wypełniania szczelin wymusza stosowanie płaskich powierzchni • duża wytrzymałość na ścinanie przy podwyższonych temperaturach Taśmy termoprzewodzące stosowane są przede wszystkim ze względu na ich klejące właściwości mechaniczne, właściwości termiczne są na drugim planie. Przewodność termiczna taśm jest umiarkowana, a ich parametry termiczne w rzeczywistym zastosowaniu są zależne od powierzchni styku dwóch materiałów. 4/8 Materiały termoprzewodzące 3.3 CHO-TERM® – podkładki izolacyjne Podkładki izolacyjne CHO-TERM zostały opracowane jako łatwa w użyciu alternatywa dla izolatorów mikowych ze smarem stosowanych między dyskretnym półprzewodnikowych elementem mocy a radiatorem. • silikonowe lepiszcze (spoiwo) zapewnia wysoką stabilność termiczną i dobre właściwości elektroizolacyjne, • wzmocnienie z siatki szklanej zapewnia odporność na ścinanie, Rys. 3.3) Podkładki izolacyjne CHO-TERM® • wymagana jest duża siła ściskająca przy montażu aby zminimalizować rezystancję termiczną styku, • materiał posiada dopuszczenia UL. Ta grupa produktów charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną, bardzo wysoką wytrzymałością elektryczną i rezystancją objętościową. Podkładki muszą przewodzić bardzo duże obciążenia termiczne z dyskretnych elementów półprzewodnikowych do radiatora zapewniając jednocześnie w długim okresie czasu izolację elektryczną między czynnym elementem jakim jest obudowa półprzewodnika a uziemionym radiatorem. 3.4 THERM-A-GAP™ – wypełniacze szczelin Wypełniacze szczelin THERM-A-GAP są rodziną miękkich, termoprzewodzących elastomerów silikonowych. Stosowane tam, gdzie ciepło musi być przewodzone przez stosunkowo dużą i o zmiennych rozmiarach szczelinę między elementem półprzewodnikowym a radiatorem. • miękkie silikonowe lepiszcze zapewnia możliwość dopasowywania się przy małych siłach. Rys. 3.4) Wypełniacze szczelin THERM-A-GAP™ (płaskie i użebrowane) 5/8 Materiały termoprzewodzące 3.5 THERM-A-FORM™ – mieszanki utwardzalne Mieszaka THERM-A-FORM jest czynną, dwuskładnikową substancją silikonową RTV (Room temperature Vulcanization), którą można wykorzystać do utworzenia ścieżki termicznej w aplikacjach, gdzie odległość pomiędzy elementem a zimną powierzchnią jest wysoce zmienna. • silikonowa żywica wypełniona przez azotek boru lub tlenek aluminium, • wypełnia szczeliny z przedziału 0,13 do 6,35 mm bez naprężeń na elemencie, • utwardza się w temperaturze pokojowej (RTV). Rys. 3.5) mieszanki utwardzalne THERM-A-FORM™ 4 Podstawowe właściwości materiałów termoprzewodzących 4.1 Właściwości termiczne Podstawowymi właściwościami termicznymi są impedancja termiczna i przewodność termiczna (cieplna) 4.1.1 Impedancja termiczna Jest zmierzoną wartością całkowitej rezystancji termicznej na drodze przepływu ciepła od gorącej powierzchni poprzez materiał złącza do zimnej powierzchni. Impedancja termiczna mierzona jest zgodnie z opisaną w normie ASTM D5470 metodą . Chociaż aktualna wersja tej metody jest przewidziana do badania materiałów twardych na podkładki izolacyjne, została ona z powodzeniem przystosowana do badań materiałów miękkich, w tym również cieczy. Impedancja termiczna może być zgodnie z D5470 przy kilkunastu siłach docisku, co pozwala na uzyskanie zmian impedancji termicznej względem siły docisku jak na rys. 4.1. Tego typu wykres daje nam informację o zdolności materiału do dopasowywania się do powierzchni w celu minimalizacji rezystancji styku. Należy jednak uważać, ponieważ rezystancja Rys. 4.1) Impedancja termiczna względem siły docisku dla materiału CHO-THERM 1671. zestyku silnie zależy również od właściwości powierzchni. W celu minimalizacji wpływu elementów pomiarowych na wyniki, tego typu badania najlepiej jest przeprowadzać przy użyciu dokładnie tych samych powierzchni testowych dla wszystkich badanych materiałów. 6/8 Materiały termoprzewodzące 4.1.2 Przewodność cieplna Impedancja termiczna zmierzona według ASTM D5470 może być przeliczona na przewodność cieplną materiału złącza. Przekształcając równanie (4) w równanie (5) i podstawiając do równania (4) uzyskujemy równanie (6). d Rmaterialu = (5) k d θ = + Rstyku (6) k Równanie (6) pokazuje, że w jednorodnym materiale wykres impedancji termicznej θ w zależności od grubości d jest linią prostą, której nachylenie jest równe odwrotności impedancji termicznej a punktem przecięcia z osią współrzędnych dla grubości 0 rezystancji styku. Grubość może się zmieniać przez składanie w stos różnych warstw materiału lub przez obróbkę materiału na zadaną grubość. 4.2 Właściwości elektryczne 4.2.1 Napięcie przebicia Parametr określający jaką różnicę napięć jest w stanie wytrzymać materiał w ściśle określonych warunkach pomiarowych. Parametr ten jest najczęściej mierzony według metody ASTMD149, gdzie badana próbka jest poddana działaniu narastającego napięcia AC w taki sposób, że przebicie dielektryka ma miejsce w ciągu około 20 sekund od rozpoczęcia testu. Bada się 5 próbek, po czym wylicza się średnie napięcie przebicia. Należy o tym pamiętać, że jest to napięcie średnie, nie minimalne. Napięcie przebicia można przeliczyć na wytrzymałość dielektryczną przez podzielenie wartości napięcia przebicia przez grubość próbki przy której nastąpiło przebicie. Wynik testu jest wskaźnikiem zdolności materiału do wytrzymywania wysokich napięć, ale nie daje pewności jak materiał się zachowa w długim okresie czasu w rzeczywistej aplikacji. Na wartość napięcia przebicia ma wpływ szereg czynników. Wilgotność i podwyższona temperatura obniżają napięcie przebicia, ponieważ zaabsorbowana woda pogarsza właściwości elektryczne materiału. Wielkość elektrody testowej również ma wpływ na zmierzone napięcie przebicia. Większe elektrody testowe zazwyczaj wskazują mniejsze napięcie przebicia. Obecność wyładowań niezupełnych jak również naprężenia mechaniczne wpływają również na materiał obniżając wartość napięcia przebicia. 4.2.2 Rezystancja skrośna Rezystancja skrośna jest pomiarem rezystancji elektrycznej jednostki objętości materiału. Zmierzona według metody ASTM D257 wartość rezystancji skrośnej wskazuje jak dobrze materiał złącza ogranicza prąd upływu pomiędzy elementem aktywnym a uziemionym metalowym radiatorem. Rezystancja skrośna, podobnie jad napięcie przebicia, może być znacząco obniżona przez wilgotność i podwyższoną temperaturę. 4.3 Właściwości elastomerowe Materiały złączowe posiadają właściwości typowe dla wysoko wypełnionych elastomerów jak ugięcie po ściśnięciu, odkształcenie stałe po ściśnięciu, relaksacja naprężeń (zluźnienie). 4.3.1 Ugięcie po ściśnięciu Lity elastomer nie może być ściśnięty w normalnych warunkach pracy tak jak pianka (gąbka). Po przyłożeniu siły dociskającej lity elastomer odkształca się, ale jego objętość pozostaje stała. Odkształcenie to nazywamy ugięciem po ściśnięciu (ang. Compression Deflection). 7/8 Materiały termoprzewodzące 4.3.2 Relaksacja naprężeń Po przyłożeniu siły dociskającej do materiału złącza powstaje ugięcie, po czy następuje powolna relaksacja naprężeń (ang. Stress Relaxation). Proces ten trwa dopóki siła dociskająca jest zrównoważona przez siłę kohezji (spoistość) materiału. 4.3.3 Odkształcenie stałe po ściśnięciu Odkształcenie stałe (ang. Compression Set) jest wynikiem procesu relaksacji naprężeń. Jeśli materiał zostanie poddany działaniu siły dociskającej przez długi okres czasu, pewne ugięcie pozostanie na stałe i będzie nieodwracalne nawet po ustąpieniu siły dociskającej. 5 Przelicznik jednostek przewodności cieplnej Poniższa tabela zawiera współczynniki przeliczeniowe najczęściej stosowanych jednostek przewodności cieplnej. z mnożnik do BTU ⋅ in hr ⋅ ft 2 ⋅o F Cal sek ⋅ cm⋅o C 4,2 ⋅10 2 Wat m⋅ K 2,9 ⋅103 BTU ⋅ in hr ⋅ ft 2 ⋅o F 0,14 Wat m⋅ K 8/8 3,4 ⋅10 −4 Cal sek ⋅ cm⋅o C Wat m⋅ K 6,94 BTU ⋅ in hr ⋅ ft 2 ⋅o F 2,4 ⋅10 −3 Cal sek ⋅ cm⋅o C
