Innowacja w zarządzaniu ciepłem: materiały termoprzewodzące z przemianą fazową

Materiały termoprzewodzące (Thermal Interface Materials, TIM) są używane w układach elektronicznych w celu poprawy odprowadzania ciepła i obniżenia temperatury pracy urządzenia. Materiały te działają poprzez poprawę przewodzenia ciepła do radiatora, gdzie ciepło jest finalnie wypromieniowywane do otaczającego środowiska za pomocą konwekcji. Zapotrzebowanie na lepsze odprowadzanie ciepła w urządzeniach elektronicznych stale rośnie, szczególnie w zastosowaniach, w których wymagana jest zarówno miniaturyzacja, jak i wysoka wydajność w jednym pakiecie. Ben Han z Electrolube China (Suzhou) opracował nową generację materiałów zmieniających fazę (Phase Change Materials, PCM), zapewniając praktyczną i skuteczną alternatywę dla bardziej tradycyjnych rozwiązań zarządzania ciepłem, takich jak pasty termoprzewodzące lub smary.

Materiały PCM projektuje się tak, aby zmieniały swój stan skupienia w temperaturze przemiany fazowej, co oznacza, że ​​przechodzą one z fazy stałej do formy miękkiej, płynącej. Pozwala to z kolei materiałowi PCM lepiej dopasować się do kształtu powierzchni, wypełniając wszystkie puste przestrzenie i małe szczeliny, tak jak zrobiłaby to pasta podczas aplikacji, tworząc cienką warstwę materiału termoprzewodzącego na granicy materiałów.

Poprawa wymiany ciepła

Typowe zastosowania, w których istnieje potrzeba wykorzystania materiałów o zwiększonej wydajności wymiany ciepła, obejmują niewielkie urządzenia elektroniczne,  takie jak smartfony, konsole do gier, tablety itp. Te małe urządzenia wykonują wiele zadań z wyjątkową szybkością i wymagają do tego zwiększonej mocy. Niewielki rozmiar urządzenia oznacza, że ​​ciepło wytwarzane przez wzrost mocy będzie miało negatywny wpływ na wydajność i/lub żywotność samego urządzenia. Innym ważnym obszarem, który opiera się na optymalnym zarządzaniu ciepłem, jest energoelektronika, czyli urządzenia dystrybucji mocy, czujniki, pojazdy elektryczne czy diody LED o dużej mocy. Wybór właściwego TIM dla tych aplikacji ma kluczowe znaczenie dla długoterminowej niezawodności urządzeń.

Wstępny wybór odpowiednich TIM w fazie testów jest często dokonywany na podstawie objętościowego współczynnika przewodnictwa termicznego materiału, określającego jego zdolność do odprowadzania ciepła. Jednak sam współczynnik przewodności może dać fałszywe wrażenie o oczekiwanej wydajności transferu ciepła. Gdy testy są przeprowadzane w warunkach aplikacji, niski opór cieplny urządzenia wskazuje na rzeczywistą sprawność wymiany ciepła TIM, co można opisać za pomocą następującego wzoru:

Całkowity opór cieplny urządzenia = (BLT / K) + Rc

gdzie:

BLT = Grubość warstwy materiału termoprzewodzącego TIM

K = współczynnik przewodność cieplnej TIM

Rc = całkowita rezystancja termiczna  

Ten wzór udowadnia, że ​​przewodność cieplna jest ważna, ale należy ją analizować tylko w połączeniu z grubością zastosowanego TIM i jednorodności TIM na powierzchniach styku. Wzór podkreśla również, dlaczego pasty termoprzewodzące są nadal popularnym wyborem, oferując dobre zwilżanie powierzchni kontaktowej, zapewniając niską rezystancję termiczną, oferując jednocześnie minimalną grubość warstwy kontaktowej i rozwiązując problem nierówności obu powierzchni. Jednak PCM – materiały o zmiennym wraz z temperaturą stanie plastyczności - zostały wprowadzone, aby zapewnić wydajność podobną do past termoprzewodzących, niwelując jednocześnie takie problemy jak wpływ zjawiska wypychania z obszaru kontaktu i stabilności termicznej w czasie.

Tabela 1: Typowe wartości przewodnictwa i rezystancji past i smarów termoprzewodzących  w porównaniu z PCM firmy Electrolube.