Большинство
электронных компонентов обладают малым энергопотреблением и в процессе
своей работы вырабатывают незначительное количество тепла. Однако,
некоторые устройства, такие как силовые транзисторы и диоды, процессоры,
вырабатывают тепло в значительном объеме, и для продления срока
их службы и повышения надежности может потребоваться принятие ряда мер.
Если мы изолированно рассмотрим тепловыделяющий электронный компонент,
то в процессе работы его температура будет повышаться до тех пор, пока
генерируемое внутри компонента тепло не сравняется с потерями тепловой
энергии в окружающее пространство – компонент достигнет равновесного
состояния. Скорость потери тепла нагретым телом приближенно описывается
законом теплообмена Ньютона – он устанавливает, что скорость потери
тепла пропорциональна разнице температур между телом и окружающей
его средой.
С ростом температуры компонента потери
тепла увеличиваются – когда потери тепла за секунду сравниваются
с теплом, вырабатываемым компонентом за секунду, компонент достигает
своей равновесной температуры.
Температура может быть достаточно высока
для того, чтобы существенно сократить срок службы компонента или даже
вызвать отказ устройства. В этих случаях необходимо предпринять меры
по управлению тепловыми режимами. Те же самые соображения можно
применить к сборке в целом или устройству, в состав которого входят
отдельные тепловыделяющие компоненты.
Скорость потери тепла будет выше
в случае принудительного обдува, чем в неподвижном воздухе, поэтому
одним из способов управления температурой компонента или сборки –
внедрить в конструкцию вентилятор или несколько вентиляторов
для увеличения потока воздуха. Даже обеспечение достаточной общей
вентиляции приведет к снижению рабочей температуры по сравнению
со случаем, когда сборка находится в замкнутом пространстве
без вентиляционных отверстий. Еще один аспект, который может остаться
за пределами рассмотрения – пониженное атмосферное давления на больших
высотах, которое снижает эффективность теплообмена с окружающей средой
и, соответственно, приводит к повышению рабочих температур устройства.
Тепло рассеивается в окружающую среду
с поверхности компонента. Скорость потери тепла будет расти
с увеличением площади этой поверхности – маленький компонент, выделяющий
10 Вт, достигнет более высокой температуры, чем компонент одинаковой
с ним мощности, но с большей площадью поверхности. Таким образом, один
из способов ограничения рабочей температуры – искусственно увеличить
площадь поверхности. Это реализуется при помощи крепления металлического
радиатора к устройству. Радиаторы могут изготавливаться методами
штамповки, экструзионного прессования и литья, как правило, из меди,
алюминия или их сплавов – радиатор должен быть хорошим проводником
тепла. Радиаторы часто снабжаются ребрами с целью максимизации площади
поверхности, доступной для рассеивания тепла в окружающую среду.
При использовании радиаторов более эффективным будет вариант исполнения,
когда весь модуль хорошо вентилируется или же, что еще лучше, когда
с помощью одного или большего числа вентиляторов реализован
принудительный поток воздуха. Невозможно изготовить радиаторы
и компоненты, соприкасающиеся поверхности которых были бы идеально
плоскими, поэтому при контакте поверхностей друг с другом
они соприкасаются вершинами неровностей, вследствие чего между ними
образуется небольшой воздушный зазор, распределенный по большому участку
поверхности. Воздух – плохой проводник тепла, и поэтому такая граница
раздела будет работать в качестве теплового барьера, ограничивающего
эффективность потери тепла устройством. Для преодоления этого эффекта
применяются теплопроводящие компаунды.
Теплопроводящие компаунды предназначены
для заполнения зазора между устройством и радиатором и снижения, таким
образом, теплового сопротивления на границе этих двух деталей.
Это приводит к ускоренной потере тепла в направлении радиатора
и снижению рабочей температуры устройства. Теплопроводящие компаунды
могут быть различных типов. Компания Электролюб производит ассортимент
теплопроводящих паст, которые могут наноситься с целью вытеснения
воздуха с границы раздела компонент / радиатор. Эти пасты состоят
из теплопроводящих минеральных наполнителей в жидкотекучем связующем –
этот связующий материал может быть как на основе силикона,
так и не содержать его. Пасты на основе силикона от компании Электролюб, такие как HTS и HTSP, обычно предназначены для более высоких рабочих температур по сравнению со своими не содержащими силикон альтернативными вариантами – пастами HTC и HTCP.
Силикон может вызывать проблемы для некоторых сборок, так как охотно
мигрирует и может вызвать загрязнения, например, контактов реле.
Возможно модифицировать теплопроводность таких паст, увеличивая
содержание используемого минерального наполнителя или изменяя его тип.
Варианты исполнения «P»
указанных выше паст содержат больше наполнителя, и в их состав входит
специальная композиция различных наполнителей, призванная увеличить
теплопроводность. В общем случае пасты с более высокой теплопроводностью
одновременно характеризуются и повышенной вязкостью, что может вызвать
повышенные трудности при дозировании.
Теплопроводящие пасты остаются
в пастообразном состоянии, и это облегчает демонтаж компонентов
для восстановления или ремонта. В некоторых обстоятельствах желательно
применить теплопроводящий материал,
который бы отверждался до твердого состояния. Материал TCR от компании
Электролюб представляет собой силиконовый материал холодного отверждения
с композицией минеральных наполнителей собственной разработки.
При нанесении между радиатором и устройством он отверждается
до состояния резины под воздействием атмосферной влаги. Материал TBS
от компании Электролюб – двухкомпонентный эпоксидный компаунд,
отверждаемый до прочного твердого состояния и крепящий радиатор
к компоненту. Это может стать преимуществом для конструкций некоторых
устройств, но вызывает проблемы с демонтажем. При использовании любого
теплопроводящего материала очень важно обеспечить полное заполнение
зазора между радиатором и устройством и, соответственно, полное
вытеснение воздуха. Обычно это реализуется при помощи нанесения
определенного объема компаунда в центр соединяемых поверхностей
радиатора и устройства с последующим смыканием этих поверхностей таким
образом, чтобы они оставались параллельными друг другу. Рекомендуется
отслеживать количество наносимого материала, чтобы оно было достаточным
для полного вытеснения воздуха, но при этом не слишком большим, чтобы
на краях раздела поверхностей не появлялось бы неопрятных излишков
материала. Этой цели легче достигнуть, применяя автоматизированное
оборудование для дозирования и сборки. Полное удаление воздуха
из границы раздела снижает тепловое сопротивление и рабочую температуру
устройства. Чем выше теплопроводность пасты или компаунда, тем ниже
будет тепловое сопротивление и, соответственно, ниже рабочая
температура. Теплопроводящий компаунд будет обладать меньшей
теплопроводностью, чем материал радиатора, поэтому выполнение пленки
материала на границе раздела как можно более тонкой снизит тепловое
сопротивление и, опять же, уменьшит рабочую температуру. Однако, важно
убедиться в том, что меньшая толщина пленки не приводит к появлению
воздушных зазоров в ней. Аккуратно управлять толщиной пленки можно,
включая в состав пасты или компаунда очень маленькие твердые шарики
из стекла (баллотини)
с контролируемым диаметром – толщина прослойки будет определяться
их диаметром. Целесообразно обеспечить хороший контакт между устройством
и радиатором с помощью зажимов или болтов. Возможно, зная
теплопроводность компаунда, толщину его пленки и площадь контакта
с радиатором, рассчитать тепловое сопротивление на границе и, таким
образом, равновесную рабочую температуру устройства. Необходимо знать
мощность устройства и сделать допущения относительно температуры,
которой достигает радиатор.
В случае тепловыделяющей сборки может
оказаться достаточным обеспечить ее тепловой режим с помощью выполнения
заливки в металлический контейнер с интегрированными ребрами
охлаждения или без них, используя для этого теплопроводящий заливочный
компаунд. Компания Электролюб выпускает ряд таких материалов, наиболее
популярными из которых являются двухкомпонентные эпоксидные компаунды ER2074 и ER2183.
Еще раз отметим, что важно обеспечить отсутствие воздушных включений
во время операции заливки, так как они будут препятствовать
теплопередаче к металлическому корпусу. Если сверхвысокая
теплопроводность упомянутых выше компаундов не требуется, может
оказаться достаточным использовать заливочный компаунд общего назначения
с наполнителем, такой как ER2188.
Теплопроводность минеральных наполнителей выше, чем у базовой смолы,
поэтому смолы с наполнителем в том, что касается управления тепловыми
режимами, предпочтительны по отношению к смолам без наполнителей.
Чем выше процент содержания наполнителя, тем выше теплопроводность,
однако, это приводит к повышению вязкости и увеличению вероятности
появления воздушных включений в материале заливки.
Еще одним весьма специализированным
методом управления тепловыми режимами является использование жидкостного
охлаждения, а также устройств на эффекте Пельтье. Типовое жидкостное
охлаждение предусматривает циркуляцию жидкого хладагента
в непосредственной близости от устройства – жидкости обладают более
высокой эффективностью теплопередачи, чем воздух. Доработанный вариант
жидкостного охлаждения – использование тепловых трубок. В этом случае
хладагент переходит в парообразное состояние на горячем компоненте,
и затем пар перетекает в холодную зону, где конденсируется. Скрытая
теплота парообразования жидкости обеспечивает весьма эффективное
охлаждение компонентов. Этот принцип успешно применяется в холодильных
установках. Эффект Пельтье наблюдается, когда постоянный
ток пропускается через соединение двух разнородных металлов –
при протекании тока в одном направлении соединение нагревается,
в противоположном – охлаждается. В настоящее время обнаружены
полупроводниковые материалы, демонстрирующие такой эффект, и их массив
может применяться в целях охлаждения. Все эти охлаждающие устройства
требуют применения теплопроводящих материалов на границе раздела
с охлаждаемым компонентом, чтобы исключить присутствие воздушной
теплоизолирующей прослойки и повысить эффективность теплопередачи
к системе охлаждения. Нагретый конец охлаждающего устройства также может
потребовать установки радиатора для рассеивания тепла.
Возрастающая миниатюризация электроники
повышает важность решения проблем с рассеиванием тепла. Более
эффективное управление тепловыми режимами часто приводит к возрастанию
надежности и повышению ожидаемого срока службы устройств.
