Innowacja w zarządzaniu ciepłem: materiały termoprzewodzące z przemianą fazową
W ostatnim czasie opracowano nową generację materiałów zmieniających fazę (Phase Change Materials, PCM), zapewniając praktyczną i skuteczną alternatywę dla bardziej tradycyjnych rozwiązań zarządzania ciepłem, takich jak pasty termoprzewodzące.
Wypychanie materiału
Tranzystory IGBT są szeroko stosowane w energoelektronice i stanowią dobry przykład do zrozumienia zjawiska wypychania, będącego skutkiem różnej rozszerzalności cieplnej materiałów. IGBT składają się ze stosu termicznego, który zawiera materiały o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej (CTE) i różnych współczynnikach przewodnictwa cieplnego, co prowadzi do zróżnicowania temperatury w obrębie samego IGBT.
Tranzystory IGBT – jak również większość urządzeń elektronicznych – poddawane jest pewnym narażeniom termicznym, nawet jeśli jest to jedynie włączanie i wyłączanie urządzenia. W warunkach zmian temperatury, wszystkie materiały w urządzeniu rozszerzają się lub kurczą do pewnego stopnia, w zależności od temperatury, jaką urządzenie osiąga podczas pracy, a właściwie od temperatur, które osiągają poszczególne jego elementy. Współczynnik rozszerzalności cieplnej dla różnych elementów układu jest różny. Prowadząc do kurczenia się i rozszerzania z różną intensywnością, powodując efekt wypychania TIM.
Podczas rozwiązywania problemów związanych z wypychaniem materiału termoprzewodzącego ważne jest, aby zrozumieć warunki w jakich zachodzi ten proces, jak i parametry samych materiałów. Problem występuje na styku pomiędzy współpracującymi powierzchniami, poruszającymi się względem siebie podczas zmian temperatury. Skutkuje to oddziaływaniem mechanicznym, pewnym rodzajem tarcia, które może prowadzić do zmian w reologii materiału i jego usuwania z powierzchni styku. PCM zmieniają swój stan powyżej i poniżej temperatury przemiany fazowej, dzięki czemu są w stanie oprzeć się opisanym efektom mechanicznym i pozostają bardziej stabilne przez wiele cykli termicznych, zapewniając pewny kontakt termiczny.
Inne testy
Cykle zmian obciążeń elektrycznych również skutkują zmianami temperatury urządzenia, a co za tym idzie temperatur powierzchni kontaktowych. Urządzenia te mają zatem swój własny cykl termiczny podczas użytkowania, który może zostać dodatkowo spotęgowany przez zewnętrzne warunki środowiskowe. Bez względu na przyczynę, zmiany termiczne spowodują w jakiejś formie efekt mechanicznego wypychania, a zatem stabilność wybranego TIM w warunkach końcowego użytkowania ma kluczowe znaczenie dla jego oceny.
Ponieważ wymagania aplikacji regulują spodziewane warunki środowiskowe, zwykle stosuje się badania indywidualnie dopasowane do aplikacji, a nie ich standardowy zestaw. Zestawy testów tego typu są jednak zwykle przeprowadzane według podobnych scenariuszy, obejmujących badanie stabilności termicznej materiału termoprzewodzącego TIM wobec kolejnych cykli temperaturowych, analizę wpływu wygrzewania w wysokiej temperaturze oraz test HAST, analizujący wpływ gwałtownych zmian temperatury. Jak widać na poniższych wykresach, opisane testy zapewniają lepsze zrozumienie zachowania TIM w długim okresie czasu w porównaniu ze standardowymi testami cyklu zasilania, przeprowadzanymi w dokładnych warunkach użytkowania.
