Назад
Всегда рады ответить на все ваши вопросы
materials@ostec-group.ru

Обеспечение теплового режима

Обеспечение теплового режима электронного прибора — это комплекс мероприятий, направленный на поддержание температуры электронного устройства и отдельных его компонентов в заданных пределах путем применения специальных теплопроводящих материалов и конструктивных решений. Наиболее часто такая задача решается применением специальных радиаторов, теплопроводящих паст, клеев, компаундов, подложек и иных материалов, позволяющих отводить и рассеивать тепло от компонентов электронного прибора
Развитие энергетики и транспорта, задачи повышения эффективности использования электроэнергии и другие современные тенденции обуславливают развитие управляющей и вычислительной электроники. В большинстве случаев такие электронные устройства совмещают в себе мощное вычислительное ядро и мощные каналы управления исполнительными устройствами. Производительность и функциональность такой электроники сегодня постоянно растет вместе со сложностью и количеством решаемых задач.

Современная мощная электроника работает в бытовой технике и устройствах промышленного назначения, в стандартных и жестких климатических условиях, она разнообразна и многозадачна. И все-таки мы постарались выделить схожие тенденции и типовые задачи, стоящие перед производителями мощных электронных устройств наряду с обеспечением их качества и надежности:

  • Высокие мощности компонентов. Увеличение функциональности и производительности электронных устройств в ряде случаев влечет за собой и рост рассеиваемой мощности с единицы площади электронного прибора. Это требует обеспечения эффективного отвода тепла с поверхности печатных плат на корпус или радиатор и обуславливает применение теплопроводящих материалов с более высокой теплопроводностью, чем традиционные решения.
  • Высокие рабочие напряжения. Современная электроника все чаще управляет мощными исполнительными механизмами и в ряде случаев должна работать с высоким напряжением и токами большой силы. Работа устройства с высоким напряжением требует минимизации вероятности пробоя между проводниками и нуждается в теплопроводящих материалах с высокими диэлектрическими характеристиками.
  • Жесткие условия эксплуатации. Развитие применений мощной электроники обуславливает работу устройств на открытом воздухе, в условиях повышенной влажности, в агрессивных средах, при механических нагрузках или в других жестких условиях. Для обеспечения высокой надежности таких устройств нужен не только эффективный отвод тепла с поверхности платы, но и защита устройства от негативного воздействия внешней среды. Эти задачи требуют материалов, сочетающих в себе функции теплопередачи и защиты от воздействия внешней среды.
  • Уникальные конструкторские решения. Многочисленность применяемых электронных компонентов, уникальность стоящих задач, интеграция устройств различного назначения в одном корпусе – все это обуславливает поиск уникальных конструкторских решений. Для их реализации требуются специальные материалы, которые обеспечат высокий уровень эксплуатационных характеристик и предоставят свободу разработчикам при решении задач обеспечения теплового режима электронных устройств.

Практические рекомендации

Высокие рабочие мощности электронных приборов приводят к существенному разогреву корпуса прибора.

Электрические характеристики электронных приборов и модулей в сильной степени подвержены влиянию высоких температур, поэтому очень важно обеспечить эффективный вывод тепла от ис­точника во внешнюю среду.

Количественно передача тепла рассчитывается с помощью теплового сопротивления: чем ниже тепловое сопротивление, тем выше теплопередача. Тепловое сопротивление компонентов электронных приборов (кристалла, подложки, основания, радиатора), как правило, мало. Основная задача при обеспечении теплового режима работы прибора — снизить тепловое сопротивление переходных слоёв.

Тепловой поток от активного элемента распространяется неравномерно. В общем случае тепловой поток распространяется конусообразно, расширяясь по мере удаления от источника тепла. Снижение теплового сопротивления наиболее критично в вершине теплового конуса. В основании же конуса тепло рассеивается на бОльшей площади, поэтому требования к характеристикам теплопроводящих материалов могут быть различны в различных областях электронного прибора.

Соединительные слои условно разделяют на три основных теплопроводящих уровня:

  1. Кристалл - Подложка
  2. Подложка - Основание
  3. Основание - Радиатор

В связи с конусообразным распространением теплового потока 1-й теплопроводящий уровень требует материалов с наибольшей теплопроводностью, соответственно 3-й уровень допускает использование материалов с более низкими значениями теплопроводности.

Основные теплопроводящие материалы (ТПМ) для разных тепловых уровней:

ТПМ 1: Теплопроводящие клеи, припои (теплопроводность 30 - 100 Вт/мК)

ТПМ 2: Припои, тепловые пружины, жидкие металлы (теплопроводность 15 - 86 Вт/мК)

ТПМ 3: Теплопроводящие пасты, силиконовые клеи, подложки, заливочные компаунды, гели (теплопроводность 0,5 - 7 Вт/мК)

Основные группы материалов для обеспечения теплового режима работы электронных приборов

  • Теплопроводящие пасты

Если ваше устройство разработано с учетом дополнительной механической фиксации (прижима) радиатора к поверхности мощного электронного компонента, то теплопроводящие пасты могут быть хорошим и самым простым решением для передачи тепла от компонента к радиатору.

  • Теплопроводящие клеи-герметики

Если требуется совместить эффективную передачу тепла и надежное соединение передающей и рассеивающей поверхностей, то для решения такой задачи стоит обратить внимание на теплопроводящие клеи и герметики. Некорродирующие теплопроводные силиконовые клеи и герметики идеально подходят для крепления радиаторов и других деталей к поверхности электронных компонентов. Для этих целей материалы обладают хорошей эластичностью и теплопроводностью. Возможно также использование силиконов данного семейства в качестве теплопроводного герметизирующего материала для трансформаторов, источников питания, обмоток, реле и других электрических устройств, которые нуждаются в повышенном рассеивании тепла.

  • Теплопроводящие гели и заливочные компаунды

Если перед вами стоит задача обеспечить хороший теплоотвод с поверхности печатного узла и одновременно защитить устройство от повышенной влажности, воздействия ударов и вибраций, ограничить доступ к печатному узлу, то в первую очередь можно обратить внимание на теплопроводящие гели и заливочные компаунды.

  • Теплопроводящие подложки

Если ваша задача подразумевает отвод тепла с ограниченной площади печатного узла, теплопередачу на радиатор или корпус через воздушный зазор, отсутствие процессов отверждения теплопроводящего материала и высокую эффективность теплопередачи, то силиконовые теплопроводящие подложки – это материал, который стоит рассматривать в первую очередь.

  • Низкотемпературные сплавы

Тепловой контакт может быть создан с помощью пайки или прижима. Для пайки используются припои в виде преформ, лент. Для создания прижимного контакта используются сплавы в виде преформ, лент. Также могут использоваться металлы, остающиеся жидкими в диапазоне рабочих температур электронного прибора. Жидкие металлы обладают высокой теплопроводностью, значительно превышающей теплопроводность многих неметаллических материалов. Другие преимущества таких систем – присущая им высокая плотность и электропроводность. Данные сплавы смачивают большинство металлических и неметаллических поверхностей, поэтому могут быть использованы для передачи тепла и электричества между металлическими и неметаллическими поверхностями.