Nowoczesne materiały termoprzewodzące

Jeżeli komponent wytwarzający ciepło jest zaizolowany, jego temperatura wzrasta aż do osiągnięcia stanu równowagi, czyli wyrównania się ilości ciepła wytwarzanego przez ten element z ciepłem oddawanym do otoczenia. Jeśli temperatura równowagi termicznej będzie zbyt wysoka, czas życia elementu ulegnie drastycznemu skróceniu, a w skrajnym przypadku dojdzie nawet do awarii urządzenia. Większość elementów elektronicznych podczas swojej pracy generuje przeważnie niewielką ilość ciepła. Jednakże niektóre komponenty – jak tranzystory i diody mocy czy też procesory komputerowe – wytracają znaczną ilość energii i wymagają podjęcia pewnych środków w celu przedłużenia ich żywotności oraz zwiększenia niezawodności.

Szybkość odprowadzania ciepła jest większa przy przemieszczaniu się mas powietrza niż podczas pracy w warunkach statycznego otoczenia. Jedną z możliwości kontroli temperatury będzie zatem zainstalowanie wentylatorów, umożliwiających wzmocnienie efektu konwekcji (taka technika chłodzenia nosi nazwę konwekcji wymuszonej). Zresztą nawet zainstalowanie ogólnej wentylacji skutkuje obniżeniem temperatury pracy urządzeń – w porównaniu do ilości ciepła wydzielanego przez taką samą instalację w pomieszczeniu bez otworów wentylacyjnych. 

Fotografia 1. HTC – bezsilikonowa pasta termoprzewodząca (0,9 W/m·K) w opakowaniu o masie netto równej 1 kg

Ciepło z wnętrza komponentu jest oddawane do otoczenia przez powierzchnię jego obudowy. Szybkość strat ciepła zwiększa się wraz z polem tej powierzchni – małe urządzenie o mocy 10 W osiągnie wyższą temperaturę niż podobne, ale w większej obudowie. Jednym ze sposobów na chłodzenie podzespołów będzie więc zwiększenie ich efektywnej powierzchni, co można uzyskać przez dołączenie metalowych radiatorów. Radiatory mogą być wytwarzane metodą tłoczenia lub wylewania, zazwyczaj z miedzi, aluminium lub ich stopów (z uwagi na doskonałe przewodzenie ciepła). Elementy te często mają odpowiednie użebrowanie, ponieważ dzięki temu można uzyskać większą powierzchnię rozpraszającą ciepło do otoczenia.

Wytworzenie idealnie dopasowanych powierzchni komponentu i radiatora jest w praktyce niemożliwe, więc zestawienie mikroskopijnych nierówności obydwu elementów spowoduje powstanie licznych szczelin powietrznych, obejmujących sumarycznie sporą część całkowitego pola styku. Powietrze – jako mierny przewodnik ciepła – wytwarza termiczną barierę ograniczającą efektywność chłodzenia. Aby przezwyciężyć ten problem, stosuje się materiały termoprzewodzące, przeznaczone do wypełniania prześwitu pomiędzy chłodzonym komponentem a radiatorem, co redukuje opór termiczny, prowadząc do szybszej utraty ciepła i obniżenia temperatury pracy urządzenia.

Na rynku istnieje wiele rodzajów materiałów termoprzewodzących. Jednym z czołowych producentów past termoprzewodzących jest firma Electrolube, wytwarzająca materiały na bazie wypełniaczy mineralnych o wysokiej przewodności cieplnej, zawieszonych w płynnym nośniku w postaci oleju silikonowego lub mineralnego. Pasty na bazie silikonowej – takie jak HTS czy HTSP – mogą pracować w wyższych temperaturach niż ich odpowiedniki bezsilikonowe (HTC, HTCP).

Należy pamiętać, że silikony mają tendencję do migracji, dlatego mogą powodować problemy w niektórych aplikacjach, zanieczyszczając np. styki przekaźnikowe.

Modyfikacja przewodności termicznej past jest możliwa poprzez zmianę ilości wypełniaczy lub ich składu. Wersje „P” wyżej wymienionych past mają wyższą zawartość wypełniaczy oraz odpowiednią ich kompozycję, a rozwiązanie takie służy zwiększeniu efektywności transferu ciepła. Zazwyczaj wyższa zawartość wypełniaczy wiąże się też z większą lepkością past, co może prowadzić do trudności przy ich dozowaniu.

Ulepszoną wersją HTC jest pasta HTCX, która charakteryzuje się podwyższoną przewodnością cieplną, niższym wypływem oleju i mniejszymi stratami masy na skutek odparowania.

Najwyższą przewodność termiczną (do 3,40 W/mK), przy jednoczesnym utrzymaniu zalet oleju bezsilikonowego, zapewnia pasta HTCPX, która swoje wyjątkowe własności zawdzięcza użyciu sproszkowanych tlenków różnych metali.

Warto dodać, że zdolność pasty do utrzymania swojej początkowej konsystencji w czasie długotrwałej eksploatacji znacząco ułatwia demontaż komponentów w przypadku naprawy lub modyfikacji urządzenia.

Fotografia 2. Pasta HTCP w kartuszu o pojemności 20 ml

W niektórych okolicznościach wymagane jest jednak pełne utwardzenie materiału termoprzewodzącego. Produkty Electrolube pod nazwą TCER i TCOR są materiałami silikonowymi utwardzanymi w temperaturze pokojowej i wypełnionymi mieszanką mineralną – wprowadzone pomiędzy radiator a obudowę elementu, żelują do konsystencji gumy. W przypadku TCER proces ten zachodzi pod wpływem wilgoci otoczenia i powoduje wydzielanie etanolu. Pasta łączy właściwości podkładek kauczukowych oraz tradycyjnych past termoprzewodzących. Dzięki niskiej lepkości materiał jest łatwy w aplikacji również przy użyciu pistoletu. Podobne cechy ma TCOR, który – żelując pod wpływem wilgoci – wydziela obojętny oksym. Produkt ten, oprócz typowych zastosowań do rozpraszania ciepła, może służyć jako klej o niedużej sile adhezji, izolator lub uszczelniacz.

Skład kleju TBS tego samego producenta stanowi dwuskładnikowa żywica epoksydowa, która utwardza się do stanu stałego i efektywnie przykleja radiator do komponentu. W niektórych urządzeniach taki sposób mocowania jest korzystny, ale wiąże się z problemami przy demontażu.

Przy wszystkich materiałach termoprzewodzących bardzo istotne jest zapewnienie dokładnego wypełnienia na styku radiatora z urządzeniem i wyparcie całego zgromadzonego w szczelinie powietrza. Efekt taki uzyskuje się zwykle przez centralne nałożenie pasty na powierzchnię styku radiatora lub urządzenia i równoległe złączenie obu powierzchni. Ilość nakładanego materiału musi być kontrolowana, tak aby wystarczyło go do pełnego usunięcia niepożądanego gazu, ale bez niepotrzebnego nadmiaru pasty wyciskanego przy krawędziach. Osiąga się to, stosując automatyczne dozowanie i urządzenia montażowe.

Fotografia 3. Silikonowa pasta termoprzewodząca typu HTS

Im wyższa jest przewodność termiczna pasty czy żywicy, tym mniejszy opór cieplny, a tym samym niższa temperatura pracy komponentu. Materiały termoprzewodzące mają niższą przewodność cieplną niż radiator, a więc wskazane jest utrzymanie minimalnej możliwej grubości warstwy. Oczywiście nie można dopuścić do istnienia w niej szczelin powietrznych – kontrolowanie grubości warstwy jest możliwe poprzez wmieszanie do pasty albo żywicy małych kuleczek szklanych, które ustalają odległość łączonych powierzchni. Kontakt elementu z radiatorem można ponadto poprawić, stosując śruby lub zaciski.

Znając przewodność cieplną materiału termoprzewodzącego, grubość jego warstwy i powierzchnię styku z radiatorem, można obliczyć opór cieplny na granicy stykających się powierzchni, a tym samym – temperaturę równowagi cieplnej, zaś znajomość wartości wydzielanej mocy pozwala przewidzieć temperaturę osiąganą przez radiator. Kontrolę termiczną w obwodach dużej mocy można uzyskać także przez umieszczenie elektroniki w puszce metalowej z użebrowaniem, a następnie zalanie jej materiałem termoprzewodzącym. Firma Electrolube produkuje wiele takich materiałów, z których najbardziej popularna jest dwuskładnikowa żywica ER 2183. Również w tym przypadku istotne jest, aby w trakcie zalewania nie zostało wmieszane powietrze, które ograniczałoby transfer ciepła do obudowy metalowej. Jeżeli nie jest wymagana szczególnie wysoka przewodność zalewy, można użyć żywicy ogólnego przeznaczenia, np. ER 2188.

Najwyższą ochronę w wielu aplikacjach – łącznie z błyskawicznie rozwijającym się przemysłem oświetlenia LED – zapewnia żywica ER 2220. Jej przewodność termiczna wynosi 1,54 W/m·K, a temperatura pracy mieści się w zakresie –400°C...+1300°C. Jest to żywica samogasnąca, spełniająca wymogi normy UL 94V-0.

Fotografia 4. Silikonowa pasta termoprzewodząca typu HTSP

Oprócz żywic epoksydowych, coraz większe znaczenie zyskują także materiały silikonowe, których maksymalna temperatura pracy dochodzi do 2000°C. Najlepszym przykładem jest tu dwuskładnikowa, samogasnąca żywica SC2003.

Żywice poliuretanowe wykazują wprawdzie mniejszą odporność temperaturową, ale utrzymują swoje doskonałe parametry elektryczne i przewodność termiczną w trudnych warunkach, np. morskich czy tropikalnych. Typowym przykładem tutaj jest żywica UR 5633.

Wypełniacze mineralne mają wyższe przewodnictwo termiczne niż baza żywiczna, co oznacza, że materiały z domieszką wypełniaczy są lepszymi przewodnikami ciepła niż żywice pozbawione wypełniaczy. Co więcej – im wyższa jest ich zawartość, tym lepsza przewodność termiczna. Niestety, wraz z ilością wypełniaczy rośnie lepkość, a to wiąże się z kolei z większym ryzykiem wmieszania powietrza w zalewę.

Fotografia 5. Dwuskładnikowa żywica epoksydowa typu TBS

Obecnie na rynku znajduje się również wiele materiałów termoprzewodzących innych producentów. Należy wspomnieć tu o takich firmach, jak np. Momentive, Polytec-PT czy Cotronics. W ofercie marki Momentive dostępne są wysokolepkie kleje TSE 3281 i TSE3882, wydzielające przy żelowaniu produkty oksymowe i mające termoprzewodność na poziomie 2 W/m·K. Żaden z tych produktów nie powoduje korozji powierzchni metalowych.

Firma Polytec-PT produkuje kleje termoprzewodzące, w tym TC 420 i TC 430. Pierwszy z nich jest dwuskładnikowym klejem epoksydowym o konsystencji miękkiej pasty, odpornym na długotrwałe działanie temperatury do 2000°C i dobrych parametrach dielektrycznych. Wśród jego zastosowań wymienić należy odprowadzanie ciepła przy montażu półprzewodników, w optoelektronice, technice lotniczej i przemyśle elektronicznym.

TC 430 to również dwuskładnikowy klej epoksydowy, ale o dłuższym czasie żelowania niż TC 420. Jest on stosowany do „bondingu” struktur półprzewodnikowych w mikroelektronice i wytrzymuje długotrwałe działanie temperatury do 2500°C.
Przy omawianiu materiałów termoprzewodzących nie sposób nie wspomnieć o ceramicznych klejach wysokotemperaturowych firmy Cotronics, które – oprócz wytrzymałości na temperatury powyżej 1000°C – w niektórych przypadkach wykazują także doskonałą termoprzewodność. Przykładem tutaj może być Resbond 903HP – jednoskładnikowy klej na bazie trójtlenku glinu, odporny na temperatury do 1800°C. Może być nakładany przy użyciu pędzla, szpachli i urządzeń natryskowych.

Przeznaczony jest do łączenia nieporowatych materiałów ceramicznych, szkła i niereaktywnych metali. Resbond 908 jest natomiast dwuskładnikowym klejem (także na bazie trójtlenku glinu), odpornym na temperatury do 1650°C oraz wilgoć.

Stanowi doskonały izolator elektryczny, stosowany do łączenia, zalewania i hermetyzacji delikatnych elementów elektronicznych, czujników oraz urządzeń pracujących w wysokich temperaturach.

Fotografia 6. ELASTOSIL RT675 – dwuskładnikowa, termoprzewodząca żywica silikonowa w kolorze czerwonobrązowym

Resbond 920 z kolei to dwuskładnikowy klej ceramiczny na bazie trójtlenku glinu, który oprócz doskonałej izolacji elektrycznej oferuje również odporność na temperatury do 1650°C oraz większość chemikaliów i rozpuszczalników. Żeluje w temperaturze pokojowej i jest przeznaczony do klejenia rezystorów wysokotemperaturowych, pirometrów, elementów pieców grzewczych itp.

Do innych, bardzo specjalistycznych metod kontroli termicznej, należą chłodzenie cieczą oraz chłodzenie modułami Peltiera. Pierwsza z wymienionych metod polega na cyrkulacji płynu chłodniczego w bliskiej odległości od nagrzewającego się elementu; ciecz znacznie łatwiej przewodzi bowiem ciepło niż powietrze, a ponadto może być rozprowadzana poprzez sieć przewodów. Pary chłodziwa, powstające w pobliżu komponentu, przemieszczają się do chłodnych obszarów zamkniętego układu, gdzie ulegają kondensacji. Zaletą tej metody jest fakt, że utajone ciepło parowania cieczy okazuje się bardzo efektywne przy chłodzeniu komponentów – ta sama zasada fizyki jest zresztą powszechnie wykorzystywana w lodówkach.

Zjawisko Peltiera natomiast obserwuje się przy przepływie prądu stałego przez złącze dwóch różnych półprzewodników – jeżeli prąd płynie przez moduł w określonym kierunku, jedna strona elementu ogrzewa się, zaś druga ulega ochłodzeniu.

Wszystkie takie podzespoły wymagają użycia materiałów termoprzewodzących na powierzchni styku z chłodzonym elementem, co pozwala w pełni wykorzystać efektywność modułów Peltiera. Gorąca strona systemu chłodniczego może także wymagać użycia radiatora w celu rozproszenia odprowadzonego ciepła do otoczenia urządzenia.