Металлогибридные термопрокладки — новый вид термоинтерфейсов для LED-кластеров

LED-кристалл (с точки зрения закона сохранения энергии) преобразует подводимую к нему электрическую энергию в полезный свет и побочное тепло. Количество полезного генерируемого кристаллом света возрастает при увеличении силы тока, проходящего через него. Одновременно повышается и температура кристалла.

Для каждого типа кристаллов существуют определенные предельные рабочие температуры Т_{раб max}, при превышении которых резко сокращаются сроки их службы. Одна из главных задач разработчика — не допустить выхода этих температур за допустимые пределы. Температура кристалла напрямую зависит и от того, насколько эффективно отводится от него тепло. В случае возникновения препятствий при его отводе она возрастает.

Неудачно сконструированная система отвода тепла (охлаждения) для светодиода эквивалента «недополученному свету» — главному рыночному параметру свето­диодных светильников. Поэтому понятно, почему такое внимание их разработчики уделяют конструированию и изготовлению систем охлаждения светодиодов.

Системы охлаждения светодиодов обычно разбивают на два компонента, которые, по аналогии с системами охлаждения компьютерных процессоров, называют:

• радиатор — устройство с широкой развитой поверхностью, где и происходит собственно сам процесс передачи тепла окружающему воздуху;
• термоинтерфейс — пространство (зазор, просвет, промежуток) между источником тепла (светодиодом) и радиатором, заполненное теплопроводным материалом.

Мал золотник, да дорог

Назначение термоинтерфейсов — вытеснить весь воздух из зоны контакта с радиатором и тем  самым максимально снизить потери тепла на этом участке (рис. 1). (Воздух — самый эффективный теплоизолятор, его теплопроводность в 10 тыс. раз меньше, чем у алюминия.)

Рис. 1. Схема работы термоинтерфейсов

Минимальные толщины термоинтерфейсов определяются, по существу, несовершенством сопрягаемых поверхностей (а именно, их неровностью, шероховатостью, криволинейностью, отклонением от плоскопараллельности и проч.), обрабатываемых с применением различных технологий. Например, величины отклонений при фрезеровании составляют около 40 мкм, а при литье алюминия лежат в диапазоне 20–80 мкм. Конечно, можно уменьшить такие отклонения путем высокоточного шлифования (полирования) поверхностей. Но если для процессорных сборок вследствие их миниатюрности (несколько квадратных сантиметров) это и оправдывает себя, то для светодиодных сборок с площадями в несколько сотен квадратных сантиметров, выпускаемых многомиллионными тиражами, такой подход экономически нецелесообразен.

На практике для светодиодных светильников средняя величина зазора сопрягаемых поверхностей может составлять 100–150 мкм (она соизмерима с толщиной листа офисной бумаги). Казалось бы, это совсем немного, но такой зазор блокирует тепло так же хорошо, как алюминиевый лист толщиной в 1,0–1,5 м!

Это заставляет опытных конструкторов с особым вниманием относиться к созданию термоинтерфейсов, служащих своеобразным «первым тепловым барьером». Упущения при разработке термоинтерфейсов напрямую влияют на конечное снижение «светового КПД» светодиодов, которое может достигать 15–20% света, недополученного из-за перегрева кристаллов.

Классификация термоинтерфейсов

Все представленные на рынке термоинтерфейсы (рис. 2) изготовлены из однородных (изотропных, гомогенных) материалов на основе мелкодисперсных теплопроводящих наполнителей и полимерных матриц (либо в жидко-высоковязком состоянии, либо в «сшитой» упругоэластичной форме).

Рис. 2. Традиционные термоинтерфейсы

Функция полимерных матриц — заполнить собой частицами наполнителя все воздушное пространство между источником тепла и радиатором. Теплопроводность полимерных матриц незначительна, она колеблется в диапазоне 0,15–0,25 Вт/м·К.

Функция теплопроводных наполнителей — создание своеобразных «тепловых дорожек» — мостиков, по которым и передается тепло от источника к радиатору (перколяционные эффекты передачи тепла). Именно теплопроводность наполнителя, изменяющаяся, как правило, в пределах 50–200 Вт/м·К, и определяет теплопровод­ность термоинтерфейса в целом.

В настоящее время на рынке широко представлены два вида термоинтерфейсов: термопасты (thermal grease) и термопрокладки (thermal pads).

Термопасты, которые исторически являются первым видом термоинтерфейсов, хорошо зарекомендовали себя способностью заполнять все малейшие неровности сопрягаемых поверхностей (рис. 3). Их теплопроводность находится в интервале 1–10 Вт/м·К. Главные недостатки термопаст — трудоемкость монтажа, необходимость иметь обученный персонал, «грязный» характер технологии, довольно большое количество отходов.

Рис. 3. Сравнение термопаст и термопрокладок

Процесс нанесения термопаст сложно автоматизировать, и потому их применение в крупносерийных производствах (к ним относится и изготовление светодиодных светильников) весьма ограничено. Вследствие их «текучести» они  иногда  подтекают из зазоров, что, естественно, нежелательно.

Термопрокладки же изготовляют из листового резиноподобного материала различной толщины (0,2–10 мм), имеющего теплопроводность 1–5 Вт/м·К. Из него, в отличие от термопаст, можно без труда вырезать пластинки необходимой конфигурации. Их монтаж — «чистый», безотходный, легко автоматизируемый процесс.

В отличие от термопаст, упругий материал термопрокладок не способен вытеснить весь воздух из микронеровностей сочленяемых поверхностей. Это существенно снижает эффективность теплопередачи. Поскольку термопрокладки имеют упругоэластическую природу (материал постоянно стремится восстановить свою исходную плоскопараллельную форму), конструкторы должны предусматривать дополнительные меры для фиксации и постоянного поддавливания источника тепла к радиатору с помощью пружин, защелок и т. д. Это, в свою очередь, усложняет и удорожает конечную продукцию.

Металлогибридные термопрокладки (новый вид термоинтерфейсов)

Конструкция такого принципиально нового вида термоинтерфейсов, как металлогибридные термопрокладки (МГТП) [1], является попыткой объединить лучшие потребительские характеристики термопаст (прекрасный тепловой контакт с поверхностью и высокие значения теплопроводности) и термопрокладок (легкая адаптируемость к автоматизации, безотходность и чистота при монтаже).

Рис. 4. Металлогибридный термоинтерфейс: термопаста (желтый цвет), алюминиевый каркас ( красный цвет)

Одновременно МГТП имеют более хорошие удельные показатели себестоимости (из расчета на кубический сантиметр термоинтерфейса), чем термоинтерфейсы других видов. Металлогибридные термопрокладки представляют собой ажурный легкодеформируемый металлический каркас (носитель), «пропитанный» теплопроводящей пастой (рис. 4). Это первыйтрехкомпонентный термоинтерфейс (теплопроводный наполнитель плюс полимерная матрица плюс металлический каркас). Все ранее известные термоинтерфейсы состояли из двух компонентов (полимерная матрица плюс теплопроводный наполнитель).

Как работают металлогибридные термопрокладки

При сжатии металлический каркас МГТП деформируется и выдавливает находившуюся внутри термопасту (аналогично тому, как выдавливается мед из пчелиных сот) на поверхность. Эта термопаста заполняет собой все воздушные промежутки и обеспечивает надежный термический контакт термоинтерфейса с сопрягаемыми поверхностями. По существу, здесь реализован своеобразный «механизм самосмазки» (рис. 5).

Рис. 5. Самосмазка поверхности МГТП (слева) и механизм ее работы

Главное же отличие МГТП от существующих термоинтерфейсов — это наличие у них мощного дополнительного механизма передачи тепла с помощью металлического каркаса (рис. 6). Непосредственно контактируя с поверхностями как источника тепла, так и радиатора, такой каркас напрямую, минуя термопасту, соединяет их и практически без потерь транспортирует тепло.

Рис. 6. Схема передачи тепла через металлический каркас МГТП (термопаста — желтого цвета,
алюминий — красного)

Так как теплопроводность алюминия в среднем в 100 раз выше, чем у термопаст, то именно передача тепла металлическим каркасом становится доминирующим механизмом его передачи в МГТП.

Эксперименты

Для выяснения реальных возможностей МГТП были изготовлены и испытаны несколько образцов таких изделий. Были взяты два образца с морфологией каркаса, приближенной к структуре, показанной на рис. 5. Для каркаса была использована алюминиевая фольга толщиной 15 мкм. Доля алюминия в каркасе составляла 7%. Каркас заполнялся термопастой (на основе оксидов цинка) марки КЛТ-8 с теплопроводностью 0,7 Вт/м·К.

Испытания проводила фирма FOXCON (Тайвань) в соответствии с требованиями стандартов ASTM (E1530). На рис. 7 представлены результаты, полученные при изменении давления сжатия от 0 до 60 psi.

Рис. 7. Зависимость теплопроводности l металлогибридных термопрокладок от давления сжатия P при испытаниях

Повышение давления при испытаниях образцов, как и ожидалось, сопровождалось ростом теплопроводности МГТП, поскольку в результате сжатия алюминиевый каркас деформируется, перестраивается в результате чего образуются новые дополнительные высокотеплопроводящие пути (мостики, перемычки). При этом теплопроводность полученной МГТП увеличилась более чем в три раза (2,4 Вт/мК) по сравнению с использованной внутри  нее термопастой (0,7 Вт/мК).

Таким образом, даже в случае применения в конструкции МГТП самой дешевой из предлагаемых на рынке термопаст теплопроводность нового термоинтерфейса поднимется до уровня дорогих (алмазных) термопаст. Понятно, что при дальнейшем росте давления при монтаже и увеличении содержания алюминия в конструкции МГТП следует ожидать и более существенного повышения их эффективной теплопроводности.

Из-за сложностей математического моделирования реально получаемых структур алюминиевого каркаса МГТП мы проанализировали два крайних (идеализированных) варианта его построения. Первый из них, с параллельной укладкой алюминия, называемый «Model (=)», — худший с точки зрения теплопроводности (система с последовательно объединенными тепловыми сопротивлениями ее элементов). Второй вариант, с перпендикулярными алюминиевыми перемычками, обозначаемый как «Model (11)», — лучший по части теплопроводности (система с параллельно объединенными тепловыми сопротивлениями ее элементов).

В расчетах теплопроводность термопаст принималась равной 0,7 Вт/м·К, а алюминия — 200 Вт/м·К. Объемная доля алюминия варьировалась от 0 до 30%. Понятно, что результаты расчетов по всем остальным возможным вариантам структур МГТП должны находиться между результатами расчета для двух «крайних» моделей.

На рис. 8 приведено сравнение этих расчетов с результатами ранее выполненных экспериментов (Real-звездочки). Как и предполагалось, теплопроводность реальных образцов находится внутри нижнего сектора «поля ожидания», соответствующего начальной стадии образования вертикально ориентированных металлоструктур.

Рис. 8. Сравнение расчетных и экспериментальных значений теплопроводности МГТП при увеличении содержания в них алюминия

Полученные результаты позволяют уверенно прогнозировать возможности дальнейшего увеличения теплопроводности МГТП как путем совершенствования структуры каркаса, так и посредством увеличения содержания в нем алюминия.

Экономические аспекты применения МГТП

Последний вывод, сделанный с учетом существенной разницы в ценах алюминия (алюминиевая фольга — 1 руб./см³) и термопаст (5–500 руб./см³), дает, в свою очередь, основания для следующего оптимистического заключения: увеличение доли содержания алюминия в конструкции МГТП приводит не только к росту теплопроводности (основной потребительской характеристики термоинтерфейсов), но и к снижению их себестоимости (рис. 9).

Рис. 9. Сравнение ценовых характеристик термоинтерфейсов различного вида

При сравнении различных видов термоинтерфейсов в качестве базовой экономической категории целесообразно использовать такую понятную для потребителя характеристику, как стоимость создания 1 см³ термоинтерфейса. Причем нужно помнить, что для корректности следует сравнивать термоинтерфейсы с близкими уровнями теплопроводности.

На рис. 9 приведены результаты такого сравнения для термоинтерфейсов разных типов с теплопроводностью в диапазоне 2–3 Вт/м·К (типичные значения для свето­диодной техники) [2]. Из них следует, что металлогибридные термопрокладки, благодаря использованию в них недорогих термопаст и алюминия, в среднем в 5 раз дешевле аналогичных «классических» (эластичных), причем при таких же теплопроводящих характеристиках и в 50 раз дешевле термопаст!

Преимущества МГТП при монтаже

Кроме цены и теплопроводности термоинтерфейсов, для потребителей имеют существенное значение удобство их монтажа, а также отсутствие при этом грязи и отходов. Нанесение термопаст, к сожалению, практически не поддается автоматизации. Это достаточно трудоемкий процесс, требующий определенных навыков, «грязный», сопровождающийся отходами. С данной точки зрения термопрокладки имеют перед термопастами несомненное преимущество. Они легко режутся, их монтаж, осуществляющийся по принципу вырезал-прижал-забыл, легко автоматизируется, и к тому же он практически безотходный. Этим и объясняется их популярность, особенно в крупносерийном производстве, и в первую очередь в светодиодном.

Разработанные МГТП представляют собой листовой, легко режущийся материал. И потому при его монтаже в изделиях применим весь положительный опыт и все технологии, наработанные при монтаже термопрокладок (рис. 10).

Рис. 10. Легкий монтаж светодиодов с помощью МГТП

Так же, как и термопрокладки, МГТП легко сжимаются и копируют все те неровности, которые имеются у сопрягаемых поверхностей. При этом максимальная степень сжатия достигает 90–95%, в отличие от 50% у термопрокладок (рис. 11).

Рис. 11. Монтаж МГТП на «плохих» поверхностях

Кроме того, деформация МГТП имеет характерный для алюминия необратимый характер. Поэтому для МГТП, в отличие от обычных термопрокладок, для обеспечения постоянного усилия прижатия не нужно создавать дополнительных приспособлений, таких, как пружины, фиксаторы и проч., чтобы предотвращать появление воздушных прослоек на границах. К тому же это удешевляет изготовление светильника.

МГТП больше подходят для работы с «плохими» поверхностями, а именно с шершавыми, криволинейными, имеющими включения, перепады и т. д. В зоне контакта с любым подобным дефектом на поверхность МГТП «автоматически», вследствие «эффекта самосмазки», выдавливается слой термопасты. Это позволяет конструкторам снизить до разумных пределов требования к качеству сопрягаемых термоинтерфейсом поверхностей, например к шероховатости при отливке корпусов светильников из алюминиевых сплавов, что, опять же, снижает стоимость готового изделия.

Заключение