Kies de juiste Thermische Interface materialen

Ontwerpers weten dat elektronica warmte afvoert en dat bepaalde componenten tot onaanvaardbaar hoge temperaturen kunnen stijgen. In sommige toepassingsgebieden, zoals 5G-telecominfrastructuur, moderne datacenterinfrastructuur en autobeheersystemen, kan overmatige warmte een systeem uitschakelen, waardoor ontwerpers gedwongen worden om nieuwe koelingsoplossingen te bedenken. Meer van deze systemen worden verpakt in behuizingen met uitdagende vormfactoren, waardoor de implementatie van grote koellichamen en ventilatoren erg moeilijk of onhaalbaar wordt. Thermische interface materialen zijn een van de hulpmiddelen die ontwerpers kunnen gebruiken om warmte van kritieke componenten af te voeren, vooral wanneer geforceerde luchtstroom niet beschikbaar is.

Naarmate meer elektrische ontwerpers te maken krijgen met uitdagingen op het gebied van vormfactor en warmteafvoer, zijn ze mogelijk niet bekend met het scala aan thermische interface materiaalopties op de markt, of hoe ze de juiste mix van materialen kunnen selecteren om specifieke ontwerpuitdagingen op te lossen. Laird Performance Materials biedt meerdere thermische interface materiaalopties die ontwerpers kunnen helpen complexe thermische uitdagingen op te lossen. Deze oplossingen zijn toepasbaar voor gebruik in de automobiel-, telecom-, datacenter- en vermogensconversiesystemen, evenals in vele andere markten. In deze whitepaper zullen we het scala aan thermische interface materialen op de markt verkennen, evenals enkele van de ontwerpdoelen die moeten worden bereikt bij het selecteren van deze materialen.

Waarom ontwerpers thermische interface materialen nodig hebben

Thermische interface materialen zijn bedoeld om een uniforme thermische contact te bieden tussen twee aansluitende oppervlakken, meestal een component en zijn koellichaam. In het verleden zouden systeemontwerpers doorgaans een ventilator, koellichaam of beide gebruiken als een allesomvattende oplossing voor de meeste koelproblemen bij specifieke componenten. Dit kwam omdat de meeste warmte werd gegenereerd in omvangrijke voedingen of grote CPU's, die beide groot genoeg waren om dergelijke koelmaatregelen te accommoderen. Zelfs in moderne systemen waar geforceerde luchtstroom over een koellichaam aanwezig is, blijft het probleem bestaan om snel warmte af te voeren van een heet component naar het koellichaam. Thermische interface materialen bieden een oplossing door gaten tussen bewerkte oppervlakken op te vullen, waardoor uniform contact en hoge warmteoverdrachtsefficiëntie worden gegarandeerd. Hetzelfde idee geldt wanneer de behuizing fungeert als het koellichaam.

Figuur 1. Het probleem dat het TIM oplost

Thermische interface materialen worden soms generiek "gap fillers" genoemd omdat ze kleine luchtgaten tussen bewerkte oppervlakken opvullen, zoals weergegeven in figuur 1. Door een materiaal toe te voegen om gaten tussen bewerkte oppervlakken op te vullen, wordt een pad naar een koellichaam met lage thermische weerstand gecreëerd. Met het juiste thermische interface materiaal, koellichaam en pad voor natuurlijke of geforceerde convectie kan de thermische weerstand van het doelcomponent naar de omgeving worden verminderd.

De uitdaging voor veel ontwerpers is het vergelijken van thermische interface materialen voor gebruik bij het verbinden van componenten met koellichamen, componenten met behuizingselementen of een bord met een behuizing.

Typen thermische interface materialen en verbindingen

Thermische gap fillers zijn verkrijgbaar in vaste en vloeibare vormen, waardoor ze in verschillende processen kunnen worden opgenomen terwijl ze voldoen aan diverse productprestatie eisen. De hieronder beschreven gap filler materialen zijn bedoeld voor interfacing tussen een heet component en een chassis, of tussen een heet component en een koellichaam.

Vloeibare gap fillers:

Deze materialen zijn beter bekend als thermische pasta's, thermische stopverf of soms thermisch vet, waarbij sommige fabrikanten deze termen door elkaar gebruiken. Deze materialen worden direct op een component aangebracht en kunnen zeer snel worden toegepast met geautomatiseerde verwerking. Vloeibare gap fillers bestaan meestal uit een harssysteem vermengd met keramische, metalen of metaaloxidevullers, wat deze materialen hun concurrerend hoge thermische geleidbaarheid geeft. Vloeibare gap fillers zijn ideaal voor toepassingen die een hoge vervormbaarheid bij lage drukken en lage constante spanningen vereisen. Cure in place opties kunnen ook een overweging zijn voor toepassingen die verbeterde betrouwbaarheid vereisen.

Thermische vetten en faseovergangsmaterialen:

Andere typen thermische interface materialen omvatten thermisch geleidende vetten en faseovergangsmaterialen (PCMs). Deze verschillen van gap fillers doordat ze over het algemeen worden gebruikt in toepassingen met een dunne hechtingslijn, meestal 50 micron of minder, waar de aansluitende oppervlakken relatief vlak zijn. Deze typen materialen vullen geen significante opening binnen de toepassing. De belangrijkste functie van deze vetten en faseovergangsmaterialen TIMs is om de oppervlakken van de warmtebron en het koellichaam te bevochtigen om die twee oppervlakken nauw met elkaar te verbinden. Over het algemeen worden deze materialen gebruikt in toepassingen met een constante toegepaste druk. Typisch vloeien vetten en bevochtigen oppervlakken bij kamertemperatuur, terwijl faseovergangsmaterialen het apparaat moeten verwarmen om te vloeien en de oppervlakken te bevochtigen.

PCB-laminaten met hoge thermische geleidbaarheid:

Wanneer sommige PCB-ontwerpers denken aan laminaten met hoge thermische geleidbaarheid, neigen ze naar metalen kern- of keramische constructies. Nieuwere geavanceerde harsystemen kunnen een hogere thermische geleidbaarheid bieden dan standaard FR4-laminaten, maar zonder de fabricageproblemen van die alternatieve stackups. Wanneer gebruikt als een thermisch interface materiaal, kunnen deze laminaten een hoge warmteoverdracht naar een behuizing bieden door directe geleiding, of door een ander thermisch interface materiaal zoals een vast thermisch pad. Mogelijke toepassingsgebieden omvatten automotive vermogenssystemen, backplanes en industriële elektronica.

Thermische pads:

Thermische pads, soms aangeduid als gap fillers, zijn een klasse van TIMs die "een grote opening" vullen tussen warmtegenererende en warmteafvoerende oppervlakken. Vaak worden thermische pads gebruikt om meerdere warmtebronnen binnen een toepassing te bedekken en ze te verbinden met een gemeenschappelijk koellichaam. Een gap filler wordt verwacht voldoende compliant te zijn om meerdere modulehoogtes en toleranties binnen toepassingen te accommoderen zonder overmatige drukniveaus binnen het systeem te genereren. Deze materialen worden meestal geleverd als gestanste onderdelen tussen loslaatfilms, op een rol of in vellen. Deze materialen zijn verkrijgbaar in verschillende samenstellingen:

• Siliconen- of paraffine was gebaseerde gevulde materialen die eigenschappen bieden zoals uitstekende oppervlaktebevochtiging, hoge thermische stabiliteit, flexibiliteit en fysiologische inertheid.
• Elektrisch isolerende materialen voor gebruik wanneer ESD en isolatie zorgen zijn.
• Grafiet-gebaseerde materialen die een hoge algehele geleidbaarheid bieden, met name in-vlak geleidbaarheid voor gebruik op grotere componenten.

Specificeren van thermische interface materialen

Er zijn verschillende materiaalspecificaties die van toepassing zijn op thermische interface materialen. De thermische geleidbaarheid van het materiaal of de thermische weerstand van het geleverde product zijn een primaire materiaaleigenschap om te overwegen, aangezien deze waarde kan worden gebruikt als een ontwerptarget in simulaties of enkele basisberekeningen. Veel producten vereisen overweging van elektrische en mechanische eigenschappen voor gebruik in hun gewenste toepassing.

Deze omvatten:

• Doorslagspanning en weerstand: Deze zijn belangrijk voor isolerende thermische interface materialen die zullen worden gebruikt in hoogspanningssystemen.
• Young's modulus: Sommige materialen kunnen een dempend effect bieden tegen trillingen, dus de mechanische eigenschappen moeten worden overwogen bij het selecteren van materialen.
• Temperatuurstabiliteit: Thermische interface materialen moeten betrouwbaar zijn over een breed temperatuurbereik om betrouwbare thermische eigenschappen en voortijdige degradatie te garanderen.
• Diëlektrische constante: Dit is belangrijk voor thermische pads die aan een PCB zullen worden bevestigd, aangezien de aanwezigheid van een diëlektricum de impedantie van hoogfrequente transmissielijnen kan wijzigen. De diëlektrische constante kan ook invloed hebben op uitgestraalde EMI van een koellichaam.

Naast materiaaleigenschappen moeten ontwerpers geautomatiseerde assemblageprocessen en de eenvoud waarmee bepaalde oplossingen kunnen worden geïntegreerd in een PCBA of behuizing tijdens de fabricage overwegen. De bovenstaande lijst van thermische interface materialen komt in vaste en vloeibare vormen, waardoor ontwerpers enige flexibiliteit hebben om het materiaal te kiezen dat het beste werkt voor hun componenten, toepassing en assemblageproces.

Ontwerpen met thermische interface materialen: Een voorbeeld

Omdat koellichamen en actieve koelingsontwerpen veel simulaties kunnen omvatten, is het gemakkelijk aan te nemen dat hetzelfde geldt voor het gebruik van thermische interface materialen. In werkelijkheid zijn ontwerpberekeningen voor een systeem met een koellichaam en een thermisch interface materiaal vrij eenvoudig en volgen enkele basisanalogieën uit de circuitanalyse. Het centrale idee is om de thermische weerstand van het gestapelde component + interface + koellichaam systeem te berekenen en dit te vergelijken met een component + lucht + koellichaam systeem. Door de relatieve thermische geleidbaarheden van een luchtgap-interface te overwegen, kan men de verwachte vermindering van de thermische weerstand naar de omgeving berekenen voor een component met een bevestigd thermisch interface materiaal en koellichaam.

Het systeem met een koellichaam, component en interface ertussen kan over het algemeen worden behandeld als een gelaagd systeem met 1-D warmteoverdracht. Door de bulkgeleidingsrelatie voor gelaagde materialen te gebruiken, kan de thermische weerstand van een systeem met lucht worden vergeleken met een systeem dat het thermische interface materiaal bevat. De thermische weerstanden van elk systeem worden gedefinieerd in figuur 2.

Figuur 2. Thermische weerstand

Door de twee thermische weerstanden af te trekken, kan men de volgende relatie verkrijgen voor de verwachte verandering in de thermische weerstand naar de omgeving door het toevoegen van het thermische interface materiaal:

Figuur 3. Thermisch Interface Materiaal

Typische TIM: lucht dikteverhoudingen in het bovenstaande systeem variëren van 10:1 tot 1000:1, afhankelijk van de oppervlakteruwheid van het bewerkte koellichaam en het bevestigingsoppervlak op de component. Door te vergelijken met een materiaal met een thermisch pad van 0,5 mm met een thermische geleidbaarheid van 3,5 W/(m.K), vindt men dat de verwachte vermindering van de thermische weerstand naar de omgeving voor de onderste component ongeveer -3,81 °C/W is voor een geïntegreerde schakeling van 5 mm × 5 mm.

Dit is een ruwe schatting, maar het illustreert hoe verschillende factoren in een component en zijn koellichaam de warmteoverdracht beïnvloeden en een mogelijke verandering in de thermische weerstand naar de omgeving voor de doelcomponent. Dit laat een ontwerper met drie belangrijke punten om te overwegen bij het selecteren van een thermisch interface materiaal voor een koellichaam bevestiging:

1. Thermische geleidbaarheid: Het gebruik van een materiaal met een hogere thermische geleidbaarheid vermindert de algehele thermische weerstand van de TIM.
2. TIM-dikte: Het gebruik van een dunner materiaal zal een lagere thermische weerstand bieden.
3. Toepassingsgebied: Het gebruik van een groter gebied zal resulteren in een lagere thermische weerstand.