Folie termoprzewodzące elektroizolujące – jak jednocześnie odprowadzać ciepło i izolować elektrycznie?

Właśnie w tym miejscu szczególnego znaczenia nabierają folie termoprzewodzące elektroizolujące, będące jedną z grup materiałów TIM – Thermal Interface Materials. Ich zadaniem jest rozwiązanie dwóch problemów jednocześnie: zapewnienie możliwie efektywnego transportu energii cieplnej oraz zachowanie odpowiedniej izolacji elektrycznej. MTC, którego rozwiązania z zakresu Thermal Management oferuje ARIZO, wykorzystuje w tej grupie między innymi materiały na bazie silikonu wzmacnianego włóknem szklanym oraz konstrukcje wykorzystujące powłokę silikonową na folii poliestrowej.

Ciepło i elektryczność – dwa różne wymagania w jednym interfejsie

Komponent półprzewodnikowy, taki jak tranzystor mocy, MOSFET, IGBT czy dioda, podczas pracy generuje ciepło. Jeżeli temperatura jego struktury przekroczy dopuszczalny poziom, może dojść do pogorszenia parametrów elektrycznych, skrócenia żywotności, a w skrajnym przypadku do uszkodzenia elementu.

Najprostszym sposobem ograniczenia temperatury jest przekazanie ciepła do radiatora, który następnie oddaje je do otoczenia. Problem pojawia się wtedy, gdy powierzchnia radiatora nie może znaleźć się na tym samym potencjale elektrycznym co obudowa lub element półprzewodnikowy. Bez odpowiedniej warstwy izolacyjnej połączenie mechaniczne może więc stać się jednocześnie niepożądanym połączeniem elektrycznym.

Klasyczny materiał izolacyjny rozwiązuje problem elektryczny, ale może jednocześnie stanowić znaczącą barierę dla przepływu ciepła. Folia termoprzewodząca elektroizolująca została zaprojektowana właśnie po to, aby znaleźć kompromis pomiędzy tymi wymaganiami.

Jej rolą jest umożliwienie przepływu ciepła przez cienką warstwę materiału przy zachowaniu właściwości dielektrycznych. Dlatego nie należy traktować jej wyłącznie jako „izolatora pod radiator”. Z punktu widzenia projektowania termicznego jest ona elementem całego toru cieplnego.

Dlaczego nawet cienka warstwa ma znaczenie?

W analizie interfejsu termicznego podstawowym parametrem jest opór cieplny. W uproszczeniu dla jednorodnej warstwy materiału można go przedstawić zależnością:

Rθ = t / (k · A)

gdzie t oznacza grubość materiału, k jego przewodność cieplną, a A powierzchnię efektywnego kontaktu.

Zależność ta pokazuje bardzo istotną rzecz: grubość materiału ma bezpośredni wpływ na jego opór cieplny. Nawet materiał o wysokiej przewodności cieplnej może nie zapewnić oczekiwanej wydajności, jeżeli zostanie zastosowany w zbyt dużej grubości.

Dlatego w projektowaniu interfejsu termicznego nie można kierować się wyłącznie wartością podaną w W/m·K. Równie istotne są rzeczywista grubość materiału, powierzchnia kontaktu oraz warunki mechaniczne występujące podczas montażu.

Co więcej, wspomniany wzór opisuje jedynie opór samego materiału. W rzeczywistej aplikacji dochodzi również rezystancja cieplna na granicy materiał–komponent oraz materiał–radiator. To właśnie dlatego jakość powierzchni i sposób montażu mają tak duże znaczenie.

W przypadku folii termoprzewodzących szczególne znaczenie ma więc ich zdolność do dopasowania się do powierzchni oraz zachowanie odpowiednich właściwości przy określonym nacisku. ARIZO wskazuje, że oferowane folie są szczególnie interesujące w aplikacjach, w których wymagany jest niski docisk montażowy. Jednocześnie odpowiednio gładka powierzchnia materiału może pomagać w ograniczeniu oporu cieplnego interfejsu.

To istotna przewaga w konstrukcjach, w których nie można zastosować dużej siły mocującej albo gdzie delikatne komponenty nie pozwalają na agresywne rozwiązania mechaniczne.

Wysoka przewodność cieplna nie jest jedynym kryterium

W katalogach materiałów termoprzewodzących jednym z pierwszych parametrów, na który zwraca uwagę konstruktor, jest przewodność cieplna wyrażana w W/m·K. Jest to oczywiście istotna właściwość, ale jej interpretacja wymaga ostrożności.

W rozwiązaniach dostępnych w ARIZO przewodność cieplna poszczególnych folii MTC wynosi od 1,2 do 7,0 W/m·K. W zależności od rodzaju materiału grubość może mieścić się w zakresie od około 0,18 mm do 10 mm, a deklarowana temperatura pracy ciągłej sięga 200°C. Nie oznacza to jednak, że materiał o przewodności 7 W/m·K będzie automatycznie lepszym rozwiązaniem niż materiał o przewodności 1,2 W/m·K.

Właściwy wybór powinien uwzględniać cały interfejs. Jeżeli aplikacja wymaga bardzo cienkiej warstwy, znaczenie będzie miała możliwość uzyskania odpowiedniej geometrii. Jeżeli powierzchnie są nierówne, ważne będą właściwości mechaniczne materiału. Jeżeli komponent i radiator pracują przy wysokich napięciach, kluczowe staną się właściwości dielektryczne i wytrzymałość elektryczna. Jeżeli montaż odbywa się przy niewielkim nacisku, istotna będzie podatność materiału.

Dlaczego silikon wzmacniany włóknem szklanym?

Wśród rozwiązań MTC znajdują się folie wykonane z silikonu wzmacnianego włóknem szklanym. Takie połączenie pozwala uzyskać materiał, który oprócz właściwości termicznych i elektrycznych posiada również odpowiednie właściwości mechaniczne. W zależności od konkretnego wariantu zmieniają się między innymi twardość, grubość, przewodność cieplna czy zakres temperatury pracy.

W praktyce oznacza to możliwość dopasowania materiału do charakteru konkretnego połączenia. Innego rozwiązania będzie wymagała niewielka, sztywna powierzchnia komponentu, a innego większy element wymagający pewnej podatności materiału.

Właśnie dlatego w profesjonalnym projektowaniu Thermal Management tak ważna jest dostępność różnych wariantów materiałowych. Nie istnieje jeden uniwersalny TIM, który będzie optymalny dla każdej aplikacji.

W takich konstrukcjach folia może pełnić funkcję warstwy znajdującej się bezpośrednio pomiędzy elementem generującym ciepło a radiatorem. Jej zastosowanie pozwala jednocześnie ograniczyć ryzyko niepożądanego kontaktu elektrycznego i stworzyć kontrolowaną drogę przepływu energii cieplnej.

Thermal Management zaczyna się od całego toru cieplnego

Skuteczne chłodzenie komponentu nie zależy wyłącznie od parametrów radiatora. Energia cieplna musi przejść przez cały układ: od struktury półprzewodnikowej, przez obudowę komponentu, materiał interfejsowy, radiator, a następnie do otoczenia.

Każdy z tych etapów wnosi określony opór cieplny. Jeżeli jeden z elementów toru stanowi istotne ograniczenie, zastosowanie większego radiatora nie zawsze przyniesie oczekiwany efekt.

Dlatego TIM nie powinien być traktowany jako nieistotny element znajdujący się „pomiędzy” komponentem a radiatorem. Jest częścią układu odpowiedzialnego za transport ciepła i może mieć znaczący wpływ na temperaturę pracy całego urządzenia.

Folie termoprzewodzące elektroizolujące pokazują przy tym bardzo dobrze, czym w praktyce jest nowoczesny Thermal Management. Nie chodzi wyłącznie o to, aby materiał możliwie dobrze przewodził ciepło. Chodzi o znalezienie rozwiązania, które jednocześnie spełni wymagania termiczne, elektryczne, mechaniczne, konstrukcyjne i produkcyjne.

Właśnie dlatego ARIZO, jako dostawca rozwiązań z zakresu zarządzania temperaturą, oferuje różne warianty materiałów termoprzewodzących MTC i pomaga dobrać rozwiązanie do rzeczywistych warunków pracy konkretnej aplikacji.

Bo dobrze zaprojektowany system chłodzenia nie zaczyna się od radiatora. Zaczyna się od właściwie zaprojektowanego interfejsu termicznego.