Об актуальности проблемы охлаждения компонентов печатной платы говорить не приходится. В данном обзоре рассмотрены свойства эластичных материалов Gap Pad, применяемых в качестве теплоотвода.
Между корпусом охлаждаемых элементов и радиатором необходимо обеспечить очень хороший теплопроводный контакт, а их поверхности зачастую не являются идеально гладкими, фрагменты микрорельефа препятствуют плотному прилеганию поверхностей и ухудшают теплообмен. Разрешить эту проблему можно с помощью специальных теплопроводных материалов. Одним из наиболее распространенных решений является применение термопроводных паст, обычно на основе бериллия.
Термопроводные пасты легко доступны, дешевы и обеспечивают хороший термоконтакт. Однако они являются крайне нетехнологичными. Тепловой контакт, создаваемый пастами, недолговечен. Кроме того, не обеспечивается электрическая изоляция между прибором и радиатором. Это в свою очередь создает дополнительные конструктивные сложности. Например, вместо одного радиатора на несколько транзисторов приходится применять отдельный радиатор для каждого; проблематично использовать в качестве радиатора фрагмент корпуса аппаратуры и т. п
Альтернативным решением является использование теплоотводных пластин,например, из слюды, или эластичных прокладок. Теплоотводные прокладки уменьшают тепловое сопротивление соединений между двумя поверхностями и не допускают перегрева компонентов. Вторая их задача заключается в закреплении поверхностей, которые прилегают неплотно, и устранении воздушного зазора.
Наиболее распространенным теплопроводным эластичным материалом является Gap Pad. Благодаря особому теплопроводящему изолирующему полимеру материал легко деформируется, плотно прилегая ко всем компонентам на печатной плате. Материалы Gap Pad можно использовать для отвода тепла от всей печатной платы в целом. По электрическим свойствам этот материал является диэлектриком, поэтому обеспечивает дополнительную защиту от пробоя, деформации и разрывов. При применении материалов Gap Pad в качестве теплорассеивающего элемента (радиатора) допускается использовать металлический корпус устройства.
Тепловые свойства
Теплопроводные материалы характеризуются тепловыми, электрическими и эластичными свойствами.
К тепловым свойствам относятся теплопроводность, тепловое сопротивление и тепловой импеданс. Передача тепла идет тем быстрее, чем выше теплопроводность.
Теплопроводность зависит от температуры. Как правило, чем толще прокладка, тем больше должна быть теплопроводность.
Тепловое сопротивление показывает степень сопротивления потоку тепла. Это величина, обратная теплопроводности. Однако не всегда это утверждение верно.
Теплопроводность – это имманентное свойство материала, имеющее одно и то же значение при любых условиях его применения. Тепловое сопротивление – это характеристика теплоотводящей системы, т.е. зависит от многих параметров. Например, если к теплоотводящей системе добавить вентилятор, то тепловое сопротивление системы уменьшится, а теплопроводность материала останется неизменной.
Тепловой импеданс – это величина, показывающая полное сопротивление потоку тепла от горячей к холодной поверхности (см. рисунок ниже). Тепловой импеданс есть сумма тепловых сопротивлений материала прокладки и соединений с теплоотводом и источником тепла. Он учитывает площадь прокладки и сопротивление перехода на границе материалов, в то время как втепловом сопротивлении эти параметры не учитываются.
Электрические свойства
Напряжение диэлектрического пробоя определяет максимальную разность напряжений, которую может выдержать теплопроводным материал без потери свойств.
Отношение напряжения пробоя к толщине прокладки определяет диэлектрическую прочность (В/мм).
Объемное сопротивление характеризует степень уменьшения тока утечки. Чем оно больше, тем сильнее подавляется ток утечки.
Диэлектрическая постоянная – это относительная диэлектрическая проницаемость материала. Это отношение электрической энергии, которую запасает материал при приложении напряжения, к энергии, запасенной в вакууме. Она указывается для конкретной частоты.
Механические свойства
Главными механическими свойствами теплопроводных материалов являются сжатие и деформация.
Материалы Gap Pad ведут себя как плотные эластомеры1. К факторам, вызывающим сжатие или деформацию, можно отнести механическое напряжение (давление) и натяжение.
Сжатие и деформация зависят от толщины прокладки, площади ее поверхности, степени исходной деформации и других факторов.
Поскольку Gap Padимеет вязкоупругие свойства, под действием постоянного натяжения он ведет себя нелинейно и не подчиняется закону Гука. При приложении нагрузки (т.е. сжатии) происходит начальная деформация, после которой начинается медленная релаксация. Процесс продолжается до тех пор, пока сила сжатия не будет компенсирована прочностью сцепления.
Остаточной деформацией сжатия называется постоянная деформация, которая остается в материале после снятия воздействующей силы. Это результат релаксаций напряжений. После достаточно длительного сжатия прокладки она деформируется и не возвращается в исходную форму.
Следует помнить, что материал прокладки должен выдержать давление, прилагаемое при монтаже. Также важна скорость сжатия. Чем она больше, тем большее давление должна выдерживать прокладка.
Для конструкторской оценки необходимого усилия прижима для каждого материала этой группы указывается величина модуля Юнга. Некоторые из материалов Gap Pad включают в себя усиливающий стекловолоконный слой. Очевидно, что с увеличением толщины тепловое сопротивление этих материалов возрастает, однако они более полно заполняют пустоты неровной поверхности. Напряжение пробоя материалов Gap Pad составляет от 3 до 10 кВ, диапазон рабочих температур — от –60 до +200 °С.
В случаях, когда пластичности материалов Gap Pad оказывается недостаточно, рекомендуется использовать материалы группы Gap Filler. Это жидкие вещества, состоящие из двух компонентов, которые при смешивании полимеризуются, образуя монолитное покрытие с высокой теплопроводностью.
1Эластомеры – это полимеры, обладающие в диапазоне эксплуатации высокоэластичными свойствами. Называют резиной или эластомером любой упругий материал, который может растягиваться до размеров, во много раз превышающих его начальную длину и, что существенно, возвращаться к исходному размеру, когда нагрузка снята.