Innowacja w zarządzaniu ciepłem: materiały termoprzewodzące z przemianą fazową

Znaczenie stabilności

Stabilność TIMs można oszacować wizualnie, stwierdzając, czy pozostał on na miejscu po zakończeniu cyklu obciążeń termicznych. Jeśli materiał zmienił położenie podczas testu termicznego, albo w efekcie wypychania towarzyszącego zmianom temperatury, albo pod wpływem grawitacji w orientacji pionowej, prawdopodobnie zmienią się również właściwości produktu, związane ze zdolnością odprowadzania ciepła. Proste testy mogą obejmować aplikację  produktu między dwa podłoża i stwierdzenie ewentualnego ruchu lub oddzielenia się materiału podczas testu szoku termicznego. Ten najprostszy test może uwydatnić znaczenie wyboru materiału TIM, szczególnie w przypadku smarów termicznych. Te nie utwardzające się produkty są przeznaczone do nakładania cienkich warstw o ​​grubości około 50-100 mikronów, ale często są używane przy znacznie większych grubościach, co łatwo może doprowadzić do rozdzielania się warstw lub przemieszczania pasty w efekcie wypychania, prowadząc do pogorszenia wydajności wymiany ciepła. Te same zjawiska nie wpływają w ten sam sposób na materiały o przemianie fazowej PCM, które  wykazują większą stabilność fizyczną niż smary termoprzewodzące.

W szerszym kontekście wyboru materiału termoprzewodzącego i jego stabilności ważne jest, aby wspomnieć, jakie alternatywne podejścia może rozważyć projektant. Electrolube wprowadziła kilka nowatorskich produktów, które oferują zalety tradycyjnych rozwiązań w zakresie odprowadzania ciepła ze stabilnością wymaganą w zastosowaniach o dużej zmienności narażeń termicznych. Materiały te, utwardzone na powierzchni styku, tworzą stabilny związek, łatwy do usunięcia w przypadku zaistnienia takiej potrzeby. Inne tradycyjne produkty, które zapewniają całkowite utwardzenie warstwy kontaktowej o wysokiej stabilności, to jednoskładnikowe silikony lub dwuskładnikowe epoksydy, jednak naprawy układów zawierających tego typu produkty są  znacznie trudniejsze i jest mało prawdopodobne, aby osiągnęły one niską odporność termiczną, równą tradycyjnym pastom termoprzewodzącym.

Niezależnie jednak od tego, jak wygląda materiał termoprzewodzący po testach, najważniejszą kwestią jest to, czy opór cieplny na połączeniu pozostał niski i stały, ponieważ jest to podstawowy czynnik, który będzie miał wpływ na działanie urządzenia.

PCM są najczęściej wybierane ze względu na ich stabilność i zdolność do zapewnienia niskiej rezystancji termicznej. Ale właściwie dlaczego działają one wiele lepiej w trudnych warunkach niż tradycyjna pasta termoprzewodząca?

Materiał o przemianie fazowej zmienia swój stan ze stałego na bardziej miękki powyżej ustalonej temperatury, zwykle w zakresie około 50˚C. Tę cechę materiału osiąga się, stosując jako podstawę TIM materiał polimerowy zamiast oleju bazowego. Łańcuchy polimerowe zapewniają zwiększoną stabilność dyspersji wypełniacza termicznego zarówno w stanie stałym, jak i zmiękczonym. Skutkuje to zwiększoną przewodnością cieplną i długotrwałym, niskim oporem cieplnym, ponieważ materiał jest utrzymywany w bardziej spójnym stanie przez cały okres jego użytkowania w urządzeniu. Z drugiej strony, pasty termoprzewodzące składają się z olejów bazowych o krótszych łańcuchach molekularnych, które zapewniają doskonałe zwilżanie przy pierwszym zastosowaniu, ale mogą prowadzić do problemów, w tym wypychania w efekcie różnic rozszerzalności cieplnej, wysychania i wyciekania.

Rysunek: Różnica między strukturami polimerowymi o długim i krótkim łańcuchu

Inną ważną właściwością PCM jest ich zdolność do magazynowania i uwalniania energii podczas zmiany stanu. Powoduje to pewną absorpcję ciepła i chroni urządzenie przed nagłymi skokami temperatury, na przykład z powodu gwałtownych zmian mocy.

Rozważając, która aplikacja jest odpowiednia dla PCM, konieczna jest wiedza na temat temperatur i profili temperaturowych, na jakie będzie narażone urządzenie podczas pracy. Na przykład, urządzenie poddawane cyklom termicznym lub działające w warunkach  stabilnej temperatury będzie wymagać innego TIM do osiągnięcia największej wydajności. W przypadku PCM należy wziąć pod uwagę dodatkowy czynnik temperatury przemiany fazowej. Jeśli ciągła temperatura pracy urządzenia jest niższa od temperatury przemiany fazowej, produkt nie będzie działał na oczekiwanym poziomie.

Podsumowanie

Materiały PCM po podgrzaniu powyżej ich temperatury przemiany fazowej, stają się wysoce tiksotropowymi cieczami, które działają równie dobrze - a czasem nawet lepiej - niż tradycyjne pasty termoprzewodzące. Ponadto ich niska temperatura przemiany fazowej zapewnia niski opór cieplny w szerokim zakresie temperatur, zapewniając minimalną grubość spoiny przy poprawionej stabilności i odporności na ścieranie. Większość PCM może być wykorzystana w istniejących procesach produkcyjnych przy minimalnych zmianach lub całkowicie bez konieczności ich wprowadzania, pozwalając jednocześnie na łatwe przeróbki, przy zachowaniu takich samych korzyści jak tradycyjne pasty termoprzewodzące. Ponieważ PCM zapewniają większą stabilność długoterminową w porównaniu z pastami termoprzewodzącymi, są lepiej przystosowane do zastosowań wymagających wysokich temperatur, w których żywotność produktu i niezawodność mogą być krytyczne, takich jak na przykład elektronika samochodowa lub falowniki farm wiatrowych. Tradycyjne pasty i smary termoprzewodzące będą nadal popularnym wyborem, chociaż w niektórych zastosowaniach, zwłaszcza wymagających większej długoterminowej stabilności, materiał o przemianie fazowej prawdopodobnie zdobędzie przewagę.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firm Semicon Sp. z o.o. oraz © Electrolube

Korekta polskiej wersji językowej: Jacek Tomaszewski