Обеспечение эффективного отвода тепла

Маломощные электронные компоненты практически не нагреваются во время работы. Другие же, например силовые транзисторы, процессоры или силовые диоды, наоборот, нагреваются в значительной мере. Их необходимо охлаждать, чтобы увеличить срок службы и повысить надежность системы.
Если рассматривать рассеивающий тепло элемент в отдельности, то во время работы его температура поднимается до тех пор, пока выделяемое им количество тепла не сравнится с количеством тепла, рассеиваемым в окружающей среде. В этом случае элемент окажется в состоянии теплового равновесия. Скорость потери теплоты нагретым объектом описывается законом Ньютона, который гласит, что эта скорость пропорциональна разности температур между телом и окружающей средой и площади поверхности тела. При повышении температуры тела увеличивается его теплоотдача. Как только скорость потери тепла сравнивается со скоростью его генерации, устройство достигает теплового равновесия.
Температура равновесия может быть достаточно высокой, что существенно сокращает срок службы компонента и приводит к отказу. Таким образом, следует принимать меры по охлаждению компонента. Эти же соображения применимы ко всей схеме или устройству с несколькими компонентами, выделяющими тепло.
Скорость теплоотдачи тем выше, чем больше площадь поверхности компонента. Миниатюрный элемент, выделяющий 10 Вт, нагревается до большей температуры, чем элемент с большей площадью поверхности. Один из способов уменьшения нагрева состоит в увеличении площади поверхности компонента путем присоединения к нему металлического теплоотвода (см. рис. 1). Теплоотводы изготавливаются методами штамповки, экструзии или литья. Обычно они состоят из меди, алюминия или их сплавов. Теплоотвод должен хорошо проводить тепло. Как правило, он имеет ребристую структуру, чтобы площадь его поверхности была максимальна.

Рис. 1. Внешний вид теплоотвода

Отвод тепла станет более интенсивным, если воздух вблизи устройства хорошо вентилируется. Поскольку невозможно изготовить теплоотвод или электронные компоненты с идеально ровными соприкасающиеся поверхностями, то на достаточно большой контактной площади возникает воздушный зазор между компонентом и теплоотводом. В силу того, что воздух плохо проводит тепло, появляется тепловой барьер, снижающий эффективность теплоотдачи устройства.
Для устранения воздушного зазора применяются компаунды, обладающие высокой теплопередачей. Они заполняют те участки, где контакт между поверхностями компонента и теплоотвода отсутствует, тем самым уменьшая тепловое сопротивление. Тепло быстрее передается в теплоотвод, и компонент охлаждается лучше.
Существует несколько видов теплопередающих компаундов. Компания Electrolube производит проводящие пасты, которые состоят из теплопроводных неорганических наполнителей и связующей жидкости. Они делятся на те, которые содержат и не содержат кремний.
Кремнийсодержащие пасты, например HTS и HTSP (см. рис. 2), как правило, работают в более высоком температурном диапазоне. Однако они подходят не для всех типов компонентов, поскольку миграция кремния может привести к неработоспособности отдельных узлов (например, контактов реле). Теплопередача пасты меняется за счет увеличения количества наполнителя. Пасты с буквой “Р” в маркировке содержат больше наполнителя, причем он состоит из нескольких компонентов и имеет высокую теплопередачу.

Рис. 2. Кремниевая паста HTSP

Как правило, чем выше теплопроводность пасты, тем больше ее вязкость, поэтому ее сложнее наносить. Теплопроводящая паста сохраняет вязкую консистенцию, что облегчает демонтаж компонентов при восстановлении или ремонте. В некоторых случаях желательно использовать материалы, которые полимеризуются до твердого состояния. Паста TCR Electrolube представляет собой кремниевый клей-герметик RTV со смесью наполнителей. При нанесении между радиатором и компонентом он превращается в резину под воздействием атмосферной влаги. В пасту TBS входят два компонента эпоксидной смолы, которая затвердевает и жестко связывает радиатор и компонент. В некоторых случаях это свойство полезно, однако оно может усложнить процесс демонтажа.
Для обеспечения качественного отвода тепла необходимо, чтобы между соединяемыми поверхностями не возникало воздушного зазора. Проводящую пасту наносят на центральную часть поверхности компонента (см. рис. 3) и прижимают его к радиатору так, чтобы контактирующие поверхности были параллельны друг другу. Рекомендуется наносить материал таким образом, чтобы он заполнял весь зазор, а по краям не оставалось излишков. Это достигается с помощью автоматического дозирования в установках для
монтажа.

Рис. 3. Процесс нанесения пасты HТСP

Исключение воздушного зазора между поверхностями обеспечивает минимальное тепловое сопротивление и, соответственно, предотвращает перегрев компонента. Чем выше теплопроводность пасты или смолы, тем ниже рабочая температура.
Теплопроводная паста имеет меньшую теплопроводность, чем радиатор, поэтому минимальная толщина пленки между компонентом и радиатором уменьшает тепловое сопротивление и рабочую температуру. При этом необходимо также исключить возникновение воздушного зазора. Контроль толщины пленки осуществляется с помощью добавления в пасту стеклянных шариков, диаметр которых равен ширине зазора. Для обеспечения хорошего контакта между устройством и радиатором используются прижимные болты или зажимы.
Зная коэффициент теплопроводности пасты, толщину пленки и площадь контактной поверхности радиатора, можно рассчитать тепловое сопротивление зазора и, соответственно, равновесную рабочую температуру компонента. В некоторых случаях для отвода тепла достаточно металлического корпуса с ребром охлаждения или без него. Компания Electrolube предлагает несколько герметиков, наиболее популярными среди которых являются двухкомпонентные эпоксидные смолы ER 2074 и ER 2183.
Еще раз отметим, что при нанесении компаунда необходимо исключить возможность возникновения воздушного зазора между контактирующими поверхностями, поскольку он препятствует передаче тепла металлическому корпусу. Если конкретное устройство не требует обеспечить значительный отвод тепла, используются пасты общего назначения, например ER 2188. Неорганические наполнители имеют более высокую теплопроводность, чем на основе смолы, поэтому смолы с наполнителем эффективнее проводят тепло.
Существуют и другие, более специализированные методы терморегулирования, например жидкостное охлаждение или эффект Пельтье. Типичная жидкостная система охлаждения основана на циркуляции жидкости в непосредственной близости от компонента. Жидкости являются более хорошими проводниками тепла, чем воздух.
Лучшие результаты достигаются за счет применения тепловых трубок для охлаждения разогретых компонентов. Этот принцип широко применяется в холодильниках. Эффект Пельтье наблюдается в полупроводниковых материалах, когда через контакт двух разнородных металлов проходит постоянный ток. При протекании тока в одном направлении соединение нагревается, в обратном – остывает. Во всех указанных устройствах охлаждения требуются теплопроводные материалы на границе с охлаждаемым компонентом, где при этом исключается образование воздушного зазора. Система охлаждения может потребоваться и для радиатора, если он не справляется с тепловой нагрузкой.
Современные устройства имеют очень малый размер, что существенно усложняет отвод тепла. Более эффективное управление температурным режимом, как правило, обеспечивает высокую надежность и продолжительный срок службы устройств.