Еластичні ізолюючі термопровідні матеріали

Завдання забезпечення відведення тепла завжди було актуальним для виробників радіоелектронної апаратури. Для цього зазвичай використовують спеціальні радіатори і по можливості металеві елементи шасі апаратури. Але між корпусом елементів, що охолоджуються, і радіатором необхідно забезпечити дуже хороший теплопровідний контакт, а їх поверхні не є ідеально гладкими, фрагменти мікрорельєфу перешкоджають щільному приляганню поверхонь і погіршують теплообмін. Вирішити цю проблему можна, використовуючи спеціальні теплопровідні матеріали. Найбільш поширене рішення - застосування термопровідних паст, зазвичай на основі берилію.

Термопровідні пасти легко доступні, дешеві та забезпечують хороший термоконтакт. Але на цьому їх переваги закінчуються. З недоліків передусім слід зазначити таке. Термопаста при своїй дешевизні — вкрай нетехнологічний матеріал. Виробник серійних виробів, заощадивши на пасті, може програти собівартості технологічного процесу. Тепловий контакт, створюваний пастами, недовговічний. Але найнеприємніше те, що пасти не забезпечують електричної ізоляції між приладом і радіатором. А це створює додаткові конструктивні складнощі. Наприклад, замість одного радіатора кілька транзисторів доводиться застосовувати окремий радіатор кожного; проблематично використовувати як радіатор фрагмент корпусу апаратури тощо.

Як електроізолюючі прокладки зазвичай використовують слюду. З неї доводиться робити прокладки товщиною 50 - 80 мкм, а такі тонкі прокладки вкрай крихкі. Крім того, при тонкій прокладці може виникнути паразитний ємнісний зв'язок між приладом та радіатором.

Найкраще рішення тут – керамічні прокладки. Їх виробляють наоснові оксиду берилію, нітриду бору, оксиду алюмінію (глинозем) і т. п. При товщині 0,5 - 1,5 мм вони забезпечують високі електричний опір та теплопровідність, але є крихкими та дорогими.

Як поєднати несумісне — еластичність та теплопровідність термопровідних паст, високі електроізоляційні та механічні характеристики кераміки та при цьому забезпечити технологічність, безпеку та прийнятну вартість? Однією з перших на це питання відповіла американська компанія Bergquist, понад 20 років тому розпочавши випуск серії своїх електроізолюючих теплопровідних матеріалів Sil-Pads. За два десятки років асортимент продуктів компанії істотно розширився, і сьогодні Bergquist здатна запропонувати розробникам матеріали, які не тільки не поступаються традиційним термопастам і кераміці, але й дозволяють принципово по-новому вирішувати проблему відведення надлишкового тепла. Розглянемо основні класи матеріалів фірми Bergquist.

Матеріали сімейства Sil-Pad призначені для заміни термопровідних паст та керамічних прокладок. Вони виготовляються на скловолоконній основі, заповненій силіконовим каучуком. Завдяки скловолоконній основі матеріал вкрай стійкий до проколів та інших механічних пошкоджень при сильному притисканні радіатора до корпусу приладу – притискне зусилля близько 500 кг не ушкоджує матеріал. Силіконовий каучук із високою теплопровідністю заповнює всі нерівності мікрорельєфу поверхонь, підвищуючи тепловіддачу. Матеріал не токсичний і не схильний до впливу речовин, що застосовуються при очищенні друкованих плат. Одне з характерних застосувань матеріалів Sil-Pad – використання одного теплорозсіюючого елемента для багатьох силових приладів.

Типовий і перший представник цього сімейства, який завоював в Україні найбільшупопулярність, - Sil-Pad 400. Загалом матеріали сімейства відрізняються малою товщиною, жорсткістю поверхні, хорошими міцнісними, теплопровідними та діелектричними властивостями, мають високу теплопровідність. Існують спеціальні матеріали Sil-Pad 1750 та Sil-Pad 1950 для роботи в умовах високої вологості. Sil-Pad 800-S та Sil-Pad 900-S забезпечують низький термоопір (0,1 і 0,2 °С·дюйм2/Вт) при слабкому притисканні корпусу до радіатора, наприклад, за допомогою пружинної кліпси.

Для тих сфер застосування, де потрібна підвищена міцність, призначені матеріали Sil-Pad К-4, Sil-Pad К-6 і Sil-Pad К-10. Від звичайних Sil-Pad вони відрізняються тим, що замість скловолоконної основи в них використано діелектричну плівку. Наприклад, Sil-Pad К-10 спеціально розроблявся як замінник керамічних ізоляторів. При товщині 0,15 мм значення його пробивної напруги становить 6 кВ, а термоопір - 0,2 ° С дюйм2/Вт. Але на відміну від крихких керамічних аналогів, він дуже пластичний, технологічний та набагато дешевше.

В апаратурі певного виду (наприклад, у телекомунікаційних пристроях або авіаційно-космічному обладнанні) не можна застосовувати кремнієвмісні матеріали. Для таких випадків розроблено групу матеріалів Poly-Pad. У матеріалах цієї групи, як і Sil-Pad, як основа використано скловолокно або діелектрична плівка, але силіконовий каучук замінений полістиролом.

Для застосування, що не потребує електроізоляції, компанія Bergquist розробила матеріали Q-Pad II і Q-Pad III - замінники теплопровідної пасти. Перший є тонкою (38 мкм) алюмінієвою фольгою, з двох сторін покритою теплопровідним шаром силіконового каучуку, другий — полімер з графітовим наповнювачем на скловолоконній основі.

Всі описані матеріали поставляються як у рулонах, так і вирубані у формі, що відповідає термоконтактним поверхням найбільш поширених корпусів напівпровідникових приладів, наприклад, ТО-66, ТО-220, ТО-126 і т. д. На них може бути нанесений клейовий шар, що спрощує монтаж. Крім того, матеріали Sil-Pad випускають і у вигляді коротких трубок - це SPT 400 і SPT 1000. Зокрема, вони призначені для застосування з потужними приладами у пластикових корпусах, що притискаються до радіатора пружинною кліпсою.

Для НВЧ-застосувань компанія Bergquist пропонує Sil-Pad Shield - мідні пластини, що ламінують з двох сторін матеріалом Sil-Pad 400 або Sil-Pad 1000. До мідної пластини приєднаний висновок для заземлення. Sil-Pad Shield незамінні у тих випадках, коли необхідно знизити перешкоди від потужних НВЧ-елементів. Якщо використовувати традиційні ізолятори, наприклад слюду, між приладом та радіатором утворюється електрична ємність близько 100 пФ, що на високих частотах перетворить на антену навіть заземлений радіатор. Застосування Sil-Pad Shield дозволяє в цьому випадку значно знизити рівень паразитного випромінювання.

Матеріали групи Hi-Flow представляють нове покоління продуктів компанії Bergquist. До складу цих матеріалів включено полімер, що залишається в твердому стані при температурі до 65 °С, а при її підвищенні розм'якшується і розтікається по всій контактній поверхні. При цьому він заповнює всі нерівності поверхні. Через війну теплопровідність надзвичайно зростає. Так, у замінника теплопровідної пасти Hi-Flow 105 термоопір такий самий, як і у пасти, - 0,32 СЧсм2/Вт. Як основу цього матеріалу використовується алюмінієва фольга. Він призначений для застосування у тих випадках, коли не потрібна електроізоляція. Якщо ж ізоляціянеобхідна, фірма пропонує матеріали Hi-Flow 625 та Hi-Flow 115-АС, з плівковою та скловолоконною ізолюючими основами відповідно.

Таблиця 1. Порівняльні властивості матеріалів сімейства Sil-Рad.