Fortsatt miniatyrisering och ökad effekttäthet i elektroniksystem förutsätter termiska material som kan hantera värmeöverföring och värmespridning. Uwe Jessen, försäljningschef Europa för the Bergquist Company, beskriver här ett antal nya termiska material för allt från konsument- och fordonselektronik till medicinsk elektronik.

Elektroniska enheter och styrmoduler efterfrågas i mängd i konsument-, industri- och fordonssektorerna samt medicinska sektorn. För att uppfylla de olika kraven från konstruktörer och slutanvändare behöver många enheter vara mycket små. Några exempel är att de skall vara bär- eller fickvänliga, motsvara etablerade standarder för att ersätta äldre teknologier som glödlampor eller uppfylla stränga platsbegränsningar som för fordons-ECU:er.

I sin strävan efter att uppnå högre prestanda och mindre dimensioner söker konstruktören att tänja på etablerade regler för kortkonstruktion och tillverkning. För att behålla takten i utvecklingen utan att kompromissa med kvalitet och tillförlitlighet behövs nya lösningar för en rad olika tekniska områden såsom komponentkapsling, montering, provning och värmehantering.

Ny generation termiska material
Det behövs mångsidiga och kreativa värmehanteringslösningar för att stödja en fortsatt miniatyrisering av enheter och öka effekttätheten. Det sker en snabb utveckling av material som är kompatibla med automatiserad montering, är lätta att hantera på produktionslinjer, kan placeras i exakt uppmätta mängder och är lämpliga för små, medelstora eller stora produktionsvolymer. Här ingår dispenserbara termiska ”form-in-place”-material, material i vätskeform och lim med goda termiska egenskaper. Termiska substrat förändras också i och med att vi fått av nya och förbättrade dielektrikum som är lämpliga för tillämpningar som kräver mycket goda termiska egenskaper.

“Form-in-Place”-fyllnadsmedel
Den extrema miniatyriseringen av elektroniska komponenter driver upp effekttätheten, speciellt i enheter som små motorstyrningar och LED-styrningar och -regulatorer. Konventionell praxis kan ha krävt spackel eller en färdigskuren dyna som placeras mellan krets eller effektkomponent och tillhörande kylfläns eller metallkapsling. Manuellt anbringande av det termiska materialet kan vara svårt och tidskrävande. I allmänhet är tillverkare pressade att minimera manuella monteringsprocesser för att minska kostnaden och maximera slutproduktens kvalitet.

För att övervinna de utmaningar som dagens tillverkare står inför kommer en ny generation av ”form-in-place”-fyllmedel fram. Dessa typer av termiska material kan deponeras med hjälp av automatiska doseringsutrustningar. De hjälper till att upprätthålla hög produktionshastighet och eliminera felaktigheter och bristande överensstämmelser i samband med manuella processer. Utvecklingen är snabb, och nya material erbjuder konstruktören en mängd varianter av olika egenskaper som värmeledningsförmåga och Shore-hårdhet för att tillgodose olika tillämpningskrav.

Effektiv värmeöverföring i termiska tillämpningar beror primärt på möjligheten för fyllnadsmaterialet att överföra värme inom sig självt och dess förmåga att väta ytorna det är anbringat mot. Bergquists flytande material finns med en mängd olika värmekonduktiviteter, och de är speciellt utformade för att fylla stora och oregelbundna mellanrum och att väta ut och anpassa sig till många olika yttopologier. Eftersom Gap Filler dispenseras och väts ut i flytande form utsätter materialet komponenterna för näst inga påfrestningar als under tillverkningen. Därför är ”form-in-place”-fyllmedel lämpliga i tillämpningar där ömtåliga komponenter och ledningsdragning hanteras. Konstruktören kan specificera recept med speciella egenskaper, som motstånd mot stor sättning i tillämpningar där formen för depositionen är viktig eller låg avgasning vid användning i optiska tillämpningar.

Bergquist har samarbetat med ledande leverantörer av doseringsutrustningar för att säkerställa optimal kompatibilitet mellan termiska material och dispenseringsutrustningar och därmed förenklat upprättandet av en kontrollerad och repeterbar process. Som ett resultat av dessa program finns detaljerade riktlinjer tillgängliga för processingenjörer i syfte att underlätta val av munstycke (Fig. 1), maskininställningar, dispenseringsmönster och miljöfaktorer som temperatur och fuktighet.

Fig. 1. Termiska ”form-in-place”-material kan anbringas optimalt med hjälp av processriktlinjer som utarbetats i samarbete med ledande leverantörer av dispenseringsutrustningar.

Termiska ”form-in-place”-material kan vara tvåkomponentmaterial som Bergquists sortiment Gap Filler, som finns tillgängligt med termisk konduktivitet från 1,0 W/m-K till 4,0 W/m-K och med låg kompressionsmodul. Materialen är lämpliga för komponenter som monteras på kretskort med intilliggande metallhölje eller kylfläns. De kan härdas vid rumstemperatur eller förhöjd temperatur utan att bilda biprodukter. Den härdade produkten är torr och kan beröras och lossnar inte från underlaget vid termisk cykling. Gap Filler 3500S35 har ultralåg elasticitet med överlägsen mjukhet och är synnerligen formbart för att passa ömtåliga komponenter som är mycket känsliga för mekanisk påverkan.

Formbara flytande termiska gränssnittsmaterial används i tillämpningar där man måste använda dispensering och som inte får utsättas för påfrestning och vara lätta att reparera. Ett flytande material som Liqui-Form 2000 är lämpligt för användning i tillämpningar som kräver mycket hög effekttäthet, som montering av rena chip på en kylkropp. Det utsätter materialet för mycket liten påfrestning och har en naturlig klibbighet för att stanna på plats. Det behövs ingen härdning, blandning eller frysning, vilket underlättar hanteringen under produktionen.

Termiska lim: Två roller i en
I tillämpningar som effektkrävande styrenheter med många effektkretsar på en kylkropp kan termiska lim ersätta mekanisk fastsättning och kraftigt underlätta montagearbetet. Att dispensera ett flytande, enkomponents silikonlim som ett Liqui-Bond SA-material kan utföras automatiskt med hög hastighet och med minimal mänsklig inblandning i monteringen. Dessa material kan också anbringas med screentryck. Liqui-Bond SA-lim är gjorda för att behålla sin struktur och stabilitet över stora temperaturområden och i svåra miljöer. De elastiska egenskaperna bidrar dessutom till att lindra CTE-missanpassning.

Där så är praktiskt möjligt kan man använda termiskt ledande tape som Bergquists Bond-Ply-sortiment. Termiskt ledande akryllim på båda sidor av tapen gör det möjligt att sätta värmeledare eller kylkropp direkt på komponenten eller kretskortet och undvika mekanisk fastsättning. Konstruktören kan specificera glasfiber- eller polyimidförstärkning. Fig. 2 visar hur den glasfiberförstärkta termiska tapen Bond-Ply 100 kan användas för att fästa en kylkropp på en högpresterande processor.

Fig. 2. Det termiska limmet Bond-Ply kan eliminera klämmor eller skruvar.

Termiska substrat ökar effekttätheten
I tillämpningar som energiomvandlare, värmeledare, motorstyrningar och halvledarbelysningar kan ett termiskt substrat hjälpa till att öka effekttätheten, minska antalet effektkomponenter och maximera tillförlitligheten i t ex LED:ar. Speciellt när man konstruerar med LED:er som ersättare för glödlampor eller belysningssystem rekommenderar LED-leverantörer ofta att man lägger till flera pläterade vior genom FR4-materialet för att leda bort värmen från emittern. Att använda termiska lim i stället för FR4 kan göra kretskortskonstruktionen mindre komplex och göra det möjligt för konstruktören att kontrollera chiptemperaturen Detta ökar systemtillförlitligheten och förbättrar LED-ljusutbytet, vilket ger jämnare prestanda och längre serviceintervall.

Substratteknologier som Direct-Bond Copper (DBC) och tjockfilmskeramik har utmärkta termiska egenskaper. Ett IMS-material (Insulated Metal Substrate) som Bergquists Thermal Clad ger å andra sidan en robust och kostnadseffektiv lösning och passar väl i tillämpningar där kontakt till basmaterialet behövs.

Basmaterialets metallager kan vara aluminium eller koppar av standardimensioner även om icke standardiserade tjocklekar förekommer. Information finns tillgängligt som hjälper ingenjören att välja optimal styrka, vikt och termisk utvidgningskoefficient för att maximera prestanda och lödpunktstillförlitlighet i måltillämpningen. Standardytor eller borstade ytor kan också specificeras, och man kan välja klar, svart, blå eller röd färg på anodiseringen av aluminiumbaslagret. Ett högkvalitets-IMS har vanligtvis bättre prestanda än andra alternativ som termiskt förbättrade, laminerade kretskort bestående av förbehandlade skivor och värmespridande folier.

Valet av dielektrikum är en viktig faktor som bestämmer prestanda för ett IMS i måltillämpningen. Dielektriket är en blandning av polymerer som ger hög elektrisk isolation, vidhäftning och förmåga att stå emot termisk åldring. Det har ett keramiskt fyllmedel som garanterar låg termisk impedans och hög dielektrisk motståndskraft. För att erbjuda optimala prestanda och möjliggöra konkurrenskraftiga priser i många olika typer av tillämpningar finns

Thermal-Clad IMS tillgängligt i de dielektriska sammansättningarna Multi-Purpose (MP), High-Temperature (HT) eller speciella High-Power Lighting (HPL). Dielektriket HPL är mycket tunt (38 µm), har mycket låg termisk impedans vilket resulterar i 0,30 °C/W enligt RD 2018 och kan klara höga temperaturer. Thermal-Clad HPL IMS finns i en mängd olika former, däribland stansade plattor, stjärnor och fyrkanter som passar vanliga effekt-LED-tillämpningar (Fig. 3).

Fig. 3. Thermal-Clad IMS finns i många olika former och storlekar för att passa vanliga LED-tillämpningar.

Även om olika typer av substrat från olika tillverkare kan jämföras ganska effektivt med hjälp av värmeledningsuppgifter i databladen, tar dessa inte hänsyn till skillnader i materialtjocklek, gränsskitsmotstånd och förstärkningsmaterial. Av denna orsak är termisk impedans alltid det bästa måttet för att förutsäga resultatet i verkligheten. Dessutom hjälper information om vilka testprocedurer som använts ingenjören att verifiera publicerade värden och jämföra produkter från olika tillverkare. För att stödja detta använder Bergquist internationellt erkända teststandarder eller, när dessa inte finns, ger information om sina testmetoder.

Slutsats
Trots kontinuerliga förbättringar i verkningsgraden hos elektroniska komponenter och kretsar som processorer, effekthalvledare, dataomvandlare, förstärkare och effekt-LED:ar måste större värmeenergi avledas för att uppfylla kundens krav på högre total systemverkningsgrad inom ständigt minskade dimensioner. Avancerade termiska lösningar måste till för att ge konstruktören kontroll över interna arbetstemperaturer och därigenom kunna garantera tillförlitligheten.

Termiska material av typen ”form-in-place” och IMS-material är två av de kategorier av värmehanteringsmaterial som växer snabbast. De kan ge de termiska egenskaper som behövs och underlätta en utveckling mot helt automatiserad montering med minimal mänsklig inblandning.
Uwe Jessen, försäljningschef Europa, the Bergquist Company

Filed under: Byggsatt