Теплопроводящие диэлектрические эластичные материалы

Описание теплопроводящих диэлектрических материалов КПТД

Уважаемые господа! Нами разработаны новые высокотеплопроводящие материалы КПТД-2-ВН, КПТД-2М-ВН с теплопроводностью от 2 до 2,5 Вт/мК. Новые материалы наряду с высокой плотностью характеризуются превосходной эластичностью и конформностью, обеспечивая низкое тепловое сопротивление.

Обеспечение эффективного теплового контакта путем применения соответствующих теплопроводящих электроизоляционных материалов имеет важное значение в различных отраслях промышленности.

Керамико-полимерные теплопроводящие материалы  являются высоконаполненными силиконовыми тонкоплёночными эластомерами, которые  используются для производства  теплопроводящих эластичных  диэлектриков – в виде листовых прокладок, компаундов и паст.

Компания «Евролиния» выпускает различные виды таких материалов обладающих различной теплопроводностью. Купить теплопроводящие материалы Вы можете, написав менеджерам в разделе контакты нашего сайта.

Компания ЕВРОЛИНИЯ предлагает современные инновационные продукты НОМАКОН™ КПТД (Керамико-Полимерные Теплопроводящие Диэлектрические материалы), позволяющие решать самые сложные задачи в области отвода тепла и «теплового управления».

Наша продукция отражает основные достижения 20-летней работы на рынке теплопроводящих электроизоляционных материалов, результаты непрерывного совершенствования рецептур и технологии производства с целью получения требуемых механических и диэлектрических характеристик КПТД-материалов в сочетании с высокими теплопроводящими свойствами и конкурентной ценой.

КПТД-материалы включают керамические теплопроводящие диэлектрические наполнители в виде микропорошков различной природы и различного дисперсного состава, которые определенным образом распределены в эластичной матрице – в термостойком силиконовом каучуке (компаунды и листовые материалы), или в термостойкой полидиметилсилоксановой жидкости (пасты и смазки).

Разработанные новые виды керамических наполнителей, такие, как α-Кристален^тм и β-Кристален^тм, подобранные дисперсные составы и найденные оптимальные соотношения компонентов позволили предложить широкий выбор материалов с заданными нормируемыми физическими, механическими, теплопроводящими и электроизоляционными свойствами.

КПТД-материалы выпускаются по ТУ РБ 100009933.004-2001 изм.4. Впервые в СНГ нами освоены, зарегистрированы и применяются для контроля теплопроводящих характеристик общепризнанные международные стандарты определения теплопроводности и удельного термического сопротивления электроизоляционных материалов ASTM D 5470-06 и ASTM E 1530-06.

Представленные стандартизованные материалы, а также листовые материалы и прокладки различной толщины и размеров, изготавливаемые по чертежам заказчика, мы всегда готовы отпускать минимально возможными партиями и даже единичными изделиями. Мы постоянно сотрудничаем с нашими клиентами в области инноваций – разрабатываем новые продукты под заказ, изготавливаем и поставляем опытные образцы для испытаний, предлагаем методы расчета тепловых процессов с применением наших материалов.

В настоящее время материалы НОМАКОН™ КПТД постоянно применяют в своих изделиях и разработках более 300 производственных предприятий, НИИ и КБ из стран СНГ и Балтии.

Эластичный термоинтерфейс

Обеспечение отвода тепловой энергии от греющегося электронного прибора является одной из важнейших задач разработчиков и производителей электронной техники. Повышение функциональности устройств, увеличение их мощности при миниатюризации компонентов, как правило, приводит к необходимости рассеивать все большие тепловые потоки. В данном случае, создание эффективного теплового контакта путем применения соответствующих теплопроводящих электроизоляционных материалов имеет важное значение для эксплуатационных характеристик изделия, стабильности и долговечности его работы.

Эластичный термоинтерфейс – эффективное направление тепловой разгрузки электронных приборов

Процесс теплопереноса от горячего корпуса к радиатору с последующим рассеиванием тепла конвекцией в окружающую среду мы называем «естественной тепловой разгрузкой» прибора.

Эффективность тепловой разгрузки определяется следующими основными параметрами:

• качеством исполнения теплоотдающей поверхности корпуса электронного прибора 1, т.е. ее плоскостностью и шероховатостью;
• конструкцией и качеством исполнения теплопринимающей и теплоотдающей поверхностей радиатора 2;
• свойствами теплопроводящей электроизолирующей прокладки (подложки), обеспечивающей тепловой контакт между корпусом и радиатором 3;
• условиями обеспечения теплового контакта, т.е. усилием сжатия Р поверхностей прибора и радиатора, их плоскостностью и параллельностью при сборке, наличием остаточных воздушных полостей между прокладкой и прижимными поверхностями;
• условиями теплоотдачи от радиатора в окружающую среду.

На практике конструкции корпуса и радиатора в электронных изделиях достаточно оптимизированы по теплоотводу. Таким образом, единственным конструктивным элементом электронной сборки, ограничивающим теплопередачу и теплопередающие свойства которого поддаются коррекции, является изолирующая прокладка. Именно она, а точнее, термическое сопротивление, возникающее между прибором и радиатором, которые разделены прокладкой, и определяет конструктивные размеры, мощность и производительность всего прибора в целом.

Чем выше термическое сопротивление изолирующей прокладки, тем больший перепад температур ΔT создается между корпусом и радиатором, что, соответственно, повышает опасность перегрева прибора и снижает время его наработки на отказ. Очевидно, что на современном уровне развития электроники изолирующая прокладка выполняет отнюдь не второстепенную роль. Максимальное снижение термического сопротивления между корпусом и радиатором позволяет минимизировать теплопередающие поверхности и размеры прибора при заданных мощностях отводимых тепловых потоков ΔQ.

Важное значение при выборе теплопроводящей прокладки имеет также обеспечение надежной электрической изоляции между прибором и радиатором, технологичность и минимальная трудоемкость сборки, возможность применения изделия в автоматизированных технологиях массового производства, оптимальное соотношение цена-качество.

При разработке КПТД-материалов специалистами ОДО «НОМАКОН» найдены решения, позволяющие поддерживать высокий уровень теплопроводящих и электроизоляционных характеристик материалов, т.е. обеспечивать сочетание максимально возможной теплопроводности, электрической прочности и комформности материала к контактной поверхности. Под конформностью материала к контактной поверхности в данном случае подразумевается возможность его плотного прилегания к прижимающим поверхностям с вытеснением остаточного воздуха и повторением формы микрорельефа поверхностной шероховатости с целью минимизации контактного термического сопротивления.

Вышеперечисленные свойства достигнуты путем максимального наполнения эластомеров теплопроводящими диэлектрическими микропорошками оптимального дисперсного состава в сочетании с высокой степенью остаточной эластичности полученного после полимеризации материала, его выраженной термической релаксацией, а также формированием гладкой и ровной (глянцевой) поверхности для листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М.

Таким образом, уже при незначительных напряжениях сжатия P1 < P2 < P3 КПТД-материалы способны существенно снизить термическое сопротивление ΔT1 > ΔT2 > ΔT3 и обеспечить эффективный эластичный термоинтерфейс.

Термическое сопротивление КПТД-материалов

Согласно уравнению теплопередачи теплопроводностью через плоскую стенку (прокладку) количество тепла, переданного в единицу времени (тепловой поток) ΔQ, Вт, прямо пропорционально разности температур теплоотдающей T_1S, °С, и теплопринимающей T_2S, °С, поверхностей, прямо пропорционально площади поверхности теплопередачи (прокладки) F, м², и обратно пропорционально суммарному удельному термическому сопротивлению теплопередаче R, (К•м²)/Вт:

Суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R в данном случае согласно правилу аддитивности термических сопротивлений состоит из трех составляющих: термического сопротивления на границе «теплоотдающая контактная поверхность — поверхность прокладки» R_1S, термического сопротивления, зависящего от толщины δ и теплопроводности λ материала прокладки δ/λ, а также термического сопротивления на границе «прокладка — теплопринимающая контактная поверхность» R_2S:

Построив по результатам испытаний (ASTM D 5470, ASTM E 1350) линейную зависимость R = ƒ(δ) для данной марки КПТД- материала возможно определить суммарное удельное контактное термическое сопротивление на границе «контактная поверхность-материал» R_S= R_1S + R_2S по графику в точке δ = 0, а также определить истинную теплопроводность материала прокладки λ, Вт/(м•К):

Определив экспериментальным путем для различных материалов значения R_S и λ возможно достаточно точно рассчитать суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R, и, зная площадь поверхности прокладки F, вычислить ее термическое сопротивление R_F, К/Вт, при различных толщинах материала:

Ниже на диаграмме приведены значения суммарного удельного термического сопротивления R КПТД-материалов, определенные в сопоставимых условиях эксплуатации данных видов материалов.

Для компаундов КПТД-1 номинальная толщина слоя при вклеивании радиатора на теплоотдающую поверхность прибора составляла δ = 0,1 ± 0,05мм, листовые материалы КПТД-2 испытывались при номинальной толщине листа δ = 0,2 ± 0,015мм, толщина остаточного слоя термопаст КПТД-3 при испытаниях составляла 20-35 мкм. Результаты получены при напряжении сжатия прижимных поверхностей P = 0,69MПa (100 psi), температуре материала 80-110°С и плотности теплового потока 4,5-9 Вт/см². Прижимные поверхности были выполнены согласно ASTM D 5470, ASTM E 1350 в виде дисков диаметром 32 мм (поверхность теплопередачи F = 8,04 cm², формат прокладки Т0-3), а также в виде дисков диаметром 50 мм.

Результаты измерений показали, что термопасты КПТД-3 при сжатии формируют минимальную толщину слоя теплопроводящего материала за счет вязко-пластичных свойств и при этом за счет высокой адгезии и комформности к поверхности обеспечивают минимальное суммарное контактное термическое сопротивление на уровне R_S = 0,045 — 0,055 (К•см²)/Вт. При заливке компаундами КПТД-1 с последующим сжатием после полимеризации комформность материала к поверхности несколько снижается в сравнении с термопастами, а контактное термическое сопротивление увеличивается: R_S = 0,17 — 0,22 (К•см²)/Вт.

Далее по степени конформности к контактной поверхности следуют листовые материалы с повышенной эластичностью КПТД-2М: R_S = 0,19 — 0,23 (К•см²)/Вт. Нанесение на поверхность стандартного листового материала КПТД-2 липкого клеящего слоя (ЛК) или липкой позиционирующей смазки (ЛП) также увеличивает комформность в сравнении с материалом без липкого слоя, и при этом R_S = 0,55 — 0,80 (К•см²)/Вт. Для стандартного эластичного листового материала КПТД-2 без липкого слоя R_S = 0,90 — 1,05 (К•см²)/Вт.

Таким образом, на основании полученных результатов, величину суммарного удельного контактного сопротивления R_S следует считать достаточно объективным сравнительным показателем комформности КПТД-материалов к контактной поверхности. В представленных ниже материалах данный показатель используется для оценочного расчета термического сопротивления теплопроводящих материалов НОМАКОН™ КПТД.

Эластичность (сжимаемость) КПТД-материалов

Комформность листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М к контактной поверхности и, соответственно, контактное термическое сопротивление, в существенной мере определяются их эластичностью. Эластичность (сжимаемость) КПТД-материалов характеризуется величиной модуля упругости E, МПа, рассчитываемого по величине абсолютной деформации материала при сжатии, а также степенью сжатия материала Δ_δ, %, рассчитываемой, как отношение величины абсолютной деформации листа при сжатии к исходной толщине листового материала. В зависимости от приложенного напряжения сжатия в пределах σ = 0,07 — 40 МПа максимальная степень сжатия, при которой не происходит разрушение материала, может достигать величины Δ_δ= 65-80%.

Номинальное рабочее напряжение сжатия σ₁₀, МПа определяет допустимую относительную деформацию листа материала (степень сжатия) в пределах до 10% от его исходной толщины, при которой изготовителем гарантируются его прочностные, электроизоляционные и теплопроводящие свойства, представленные в нормативных документах на КПТД-материалы.

Предельное напряжение сжатия σ₅₀, Мпа, определяет степень сжатия листа материала в пределах до 50% от его исходной толщины при которой не происходит потеря эластичности, и в последующем, при снятии напряжения сжатия материал восстанавливается до исходной толщины и сохраняет свои свойства. Не допускается эксплуатация изделий из материалов КПТД-2 и КПТД-2М при превышении предельного напряжения сжатия. Представленные ниже кривые сжатия листовых КПТД-материалов получены на образцах диаметром 40 мм при скорости движения сжимающей поверхности 0,5 мм/мин.

Расчет характеристик сжатия и эластичной деформации листовых материалов КПТД различной толщины позволяет повысить точность определения термического сопротивления в практических задачах теплоотвода, а также рассчитать необходимые усилия сжатия для достижения максимальной комфортности (растекания) прокладки между контактными поверхностями.

Эластичность стандартных листовых материалов КПТД-2 толщиной 0,18-0,35 мм характеризуется линейным характером деформаций при сжатии вплоть до предельных напряжений сжатия σ₅₀= 23,9 — 30,6 МПа. В области номинальных рабочих напряжений сжатия σ₁₀= 3,5 — 5,6 МПа остаточную толщину листа материала δ, мм, при сжатии возможно определить по зависимости:

где δ₀ — исходная толщина листа, мм; σ — напряжение сжатия, МПа; E — модуль упругости материала при расчете абсолютной деформации листа, МПа/мм.

Определив допустимое напряжение сжатия для данного вида и толщины материала, возможно рассчитать необходимое усилие сжатия прокладки P, между контактными поверхностями:

где F m² – площадь прокладки.

Относительная деформация листа материала (степень сжатия) вычисляется по формуле:

На основании выражений 5 и 7 уравнения для расчета допустимых напряжений сжатия примут вид:

где Δ₁₀ = 0,1 и Δ₅₀ = 0,5 – допустимые рабочая и предельная степень сжатия листа.

Результаты экспериментальных измерений характеристик сжатия листовых материалов КПТД-2 толщиной 0,15-0,55 мм и материалов КПТД-2М толщиной 0,15-1,0 мм для удобства расчетов по форму-лам 4 и 5 были обработаны в виде зависимости модуля упругости от толщины исходного листа.

Для материалов КПТД-2 получена эмпирическая зависимость модуля упругости E₁, МПа/мм от толщины листа

Для материалов КПТД-2 получена эмпирическая зависимость модуля упругости E₁, МПа/мм от толщины листа

В уравнениях (10) и (11) значения δ₀ следует подставлять в мм.

Полученный различный характер зависимостей (10) и (11) для модулей упругости указывает на различный характер деформации при сжатии данных видов материалов. Однако, в обоих случаях с увеличением толщины материала упругие свойства снижаются, а эластичность и способность к текучести увеличивается.

Сравнительный анализ эластичности листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М по значениям модуля упругости показывает, что при равных толщинах листа материалы КПТД-2М имеют модуль упругости в 1,5-2,7 раза меньший и, соответственно, имеют в 1,5-2,7 раза большую эластичность при сжатии. Аналогичное сравнение материалов по величине удельного контактного термического сопротивления (конформности к контактной поверхности) R_S показывает, что значения R_S и E хорошо коррелируют между собой: чем меньше значение модуля упругости (или чем выше эластичность), тем ниже удельное контактное термическое сопротивление (или тем выше конформность материала к контактной поверхности).

На графиках приведены результаты расчетов допустимых напряжений сжатия материалов КПТД-2 и КПТД-2М по формулам (8) и (9) с использованием зависимостей (10) и (11) для соответствующих модулей упругости. Для материалов КПТД-2 значения σ1₁₀ и σ1₅₀ несколько возрастают с увеличением толщины материала при линейном снижении значений модуля упругости. Для материалов КПТД-2М значения σ2₁₀ и σ2₅₀ линейно снижаются с увеличением толщины листа, что подтверждает высокие пластичные свойства применяемого гелеобразного силиконового полимера.

Термическая релаксация КПТД-материалов

Другой важной специфической особенностью эластичных КПТД-материалов является их явно выраженная термическая релаксация,

Термическая релаксация — снижение величины термического сопротивления в соединении «теплоотдающая поверхность — теплопроводящий материал — теплопринимающая поверхность» с течением времени.

Величина релаксационного снижения термического сопротивления ΔR_τ зависит от вида материала, времени «приработки» материала (обычно 20-150 часов) и рабочего напряжения сжатия (0,07-1,7 МПа). Эффект термической релаксации возможно объяснить перестройкой внутренней гетерогенной структуры деформированного материала из неравновесного состояния к более равновесному с увеличением так называемой внутренней трехмерной кластерной теплопроводности. В течение времени приработки снижается также суммарное удельное контактное сопротивление R_S, т.е. увеличивается конформность материала к контактной поверхности.
Термическая релаксация наиболее выражена для листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М. На графиках представлены зависимости термического сопротивления материалов от напряжения сжатия при различном времени приработки материала. В данном случае величина релаксационного снижения термического сопротивления ΔR_τ составляет 5,5-17,0 % от величины суммарного термического сопротивления R, определенного в течение первого цикла сжатия и нагрева (1–го термоцикла) при испытании материала.