Теплорассеивающие пластмассы —

54
МАТЕРИАЛЫ
Александр Криваткин, к.т.н. |
Юрий Сакуненко, к.т.н. | [email protected]
Теплорассеивающие пластмассы —
вызов алюминию
В
опросы охлаждения и отвода излишнего тепла были, есть и всегда будут
актуальны для обеспечения оптимальных условий работы всевозможных
технических устройств (ядерные реакторы,
ракетные двигатели, лампы накаливания,
компьютеры и т. д.).
Для устройств охлаждения традиционно используются металлы и их сплавы. Последние
результаты в области полимерного компаундирования дают основания утверждать, что
к ним в ближайшем будущем могут присоединиться теплорассеивающие пластмассы — полимерные композиты с многократно увеличенной теплопроводностью.
Немного теплофизики
Чтобы охладить любое устройство, выделяющее тепло (стакан с горячей водой, многоядерный микропроцессор, обмотка электродвигателя, оружейный ствол и т. д.), нужно
последовательно сделать два простых шага:
– отвести тепло от источника тепловыделения
на некоторое расстояние;
– отдать (рассеять) это тепло в окружающую
среду.
Способность проводить тепло у твердых тел
существенно различна, связана с их структурой,
составом и характеризуется коэффициентом
теплопроводности λ Вт/м·K.
Рассеивание тепла происходит на границе
воздух/твердое тело. Законы теплопередачи
в режиме так называемой естественной конвекции таковы, что имеется некоторый кон-
кретный предел количества тепла, которое
может быть поглощено с единицы теплоотдающей поверхности окружающим воздухом.
Это количество тепла не зависит от теплопроводности отдающего тепло материала (будь
то дерево, металл, пластмасса или бумага).
Для охлаждения в целом это означает, что
повышение коэффициента теплопроводности
имеет смысл лишь до того момента, пока количество транспортируемого через тело тепла
не достигнет значения, которое может быть
максимально принято (рассеяно) воздухом
на последнем, лимитирующем этапе.
Согласно расчетам, «эффективно» работающая
величина коэффициента теплопроводности
λэф колеблется в районе 5–10 Вт/м·K. Дальнейшее
его увеличение уже избыточно и не приведет
к увеличению теплосъема в целом.
Этот вывод подтверждается серией экспериментов, проведенных американской компанией Cool Polymers, в которых тепловой источник
постоянной мощности (5 Вт) закреплялся
на пластинах одинакового размера, изготовленных из материалов с разной теплопроводностью (рис. 1). За точку отсчета бралась
пластина из обычной пластмассы (теплопроводность 0,15 Вт/м·K). Измерялся максимальный перепад температур, возникающий
на пластине за счет выделяемого источником
тепла.
При более чем десятикратном увеличении
теплопроводности от 0,2 до 2,0 Вт/м·K перепад
температур по пластине снизился в 20 раз, т. е. наблюдалось очень эффективное выравнивание
температурного поля. Однако уже следующее
(стократное) увеличение теплопроводности
с 2,0 до 200 Вт/м·K (чистый алюминий) привело лишь к незначительному уменьшению
перепада по поверхности пластины на 2–4 °С.
Тем самым было подтверждено, что теплопроводящий потенциал алюминия используется
в режиме естественного охлаждения в лучшем
случае лишь на одну десятую своих возможностей, а его применение технически избыточно.
Теплопроводность стандартных пластмасс
колеблется в районе 0,1–0,3 Вт/м·K, то есть они
являются не проводниками тепла, а типичными теплоизоляторами.
Почти стократный разрыв между реальной
и требуемой для изготовления охлаждающих
устройств λэф теплопроводностью не позволял
разработчикам использовать общепризнанный
экономический потенциал применения пластмасс в массовых технологиях.
Это особенно актуально для тиражируемых
в миллионных количествах современных телефонов, компьютеров, светильников и других
потребительских приборов и микроэлектронных устройств (МЭУ). Именно пластмассовые
корпуса, монтажные платы и другие многочисленные детали из пластмасс являются в них
по существу объединяющей, интегрирующей
средой для взаимодействия радиоэлектронных
и других функциональных элементов и потребителя. Массовая доля содержания пластмасс
в этих изделиях неуклонно повышается и достигает в некоторых случаях 90–95%. Поэтому
понятно было стремление разработчиков попытаться использовать пластмассы и для
охлаждения МЭУ.
Конкуренты алюминию
Рис. 1. Влияние теплопроводности материала пластины на неравномерность
ее температурного поля при точечном нагреве
Решение этой проблемы стало возможным
после разработки и начала промышленного
выпуска так называемых теплорассеивающих
полимерных композитов (ТРПК) с теплопроводностью, в десятки и сотни раз превосходящей теплопроводность традиционных пластмасс (рис. 2, 3).
Такое резкое повышение теплопроводности
ТРПК стало возможным за счет подбора специальных технологических добавок, использования наполнителей с высокой теплопроводностью
(до 150–250 Вт/м·K), специализированного
технологического оборудования для их высокого и сверхвысокого наполнения.
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕТОТЕХНИКА №1’2010
МАТЕРИАЛЫ
Рис. 2. Сравнение способности эффективно
отводить тепло теплорассеивающих
и обычных пластмасс
Рис. 3. Иллюстрация способности
теплорассеивающих пластмасс
минимизировать локальные перегревы
и перепады температур
(в середине пластин установлены
одинаковые локальные источники нагрева)
В зависимости от наполнителя эти композиты
могут либо сохранять свои электроизоляционные свойства, либо иметь на 5–10 порядков
более низкие поверхностные электрические
сопротивления, то есть одновременно соответствовать требованиям, предъявляемым к антистатическим и электропроводящим пластмассам.
Ряд производителей полимерных композитов
специального назначения (таблица 1) информировали о начале промышленного выпуска
нескольких семейств теплорассеивающих полимерных композитов.
Основной сферой применения ТРПК является
изготовление так называемых термоинтерфейсов — изделий, обеспечивающих передачу тепла
непосредственно от теплогенерирующего МЭУ
в окружающую среду. Типичными представителями термоинтерфейсов являются всем известные металлические (обычно из алюминиевых сплавов) радиаторы охлаждения.
По основным технико-экономическим показателям (за исключением теплопроводности) ТРПК
имеют серьезное преимущество в сравнении с алюминиевыми сплавами (таблица 2).
Что касается теплопроводности, то следует
помнить (как показано было выше), что превышение величины λэф (5–10 Вт/м·K) является технически избыточным, а у большинства
ТРПК теплопроводность превышает эти пороговые значения.
ТРПК перерабатываются методом литья под
давлением на стандартных термопластавтоматах, из них легко могут быть сразу получены высокоточные, полностью готовые к сборке детали. А металлические радиаторы
охлаждения в силу применяемых технологий
переработки (штамповка или экструдирование,
литье) нуждаются в дополнительной механи-
Т а б л и ц а 1 . Производители ТРПК
Торговая марка
Производитель
Теплопроводность, Вт/м·K
COOLPOLY
Cool Polymers, США
1,0–40,0
LATICONTER
Lati Industria Termoplastici, Италия
1,0–15,0
FORTRON
Ticona, Германия
1,1–3,0
RTP (99x)
RTP, Imagineering Plastics, США
1,0–18,0
ТЕПЛОСТОК
«СПЕЦПЛАСТ-М», Россия
1,0–13,0
Т а б л и ц а 2 . Сравнение характеристик теплорассеивающих пластмасс и алюминиевых сплавов
для изготовления термоинтерфейсов
Показатель
Алюминиевые
сплавы
Теплорассеивающие
полимерные композиты
Теплопроводность, Вт/м·K
50–100
3–40
Сложность конструкции
2D-дизайн
3D-дизайн
Точность изготовления (качество)
средняя
высокая
Шероховатость поверхности Ra, мкм
2,5–1,25
0,63
Коэффициент линейного термического расширения, X×10–6 K–1
25–30
8–11
Усадка при литье, %
0,7–1,3
0,1–0,3
Финишная механическая доработка
требуется
не требуется
Удельный вес
2,7
1,6–1,8
Использование термопасты при монтаже МЭУ
всегда
редко
Относительная себестоимость (при массовом производстве)
1,0
0,4–0,6
WWW.LED-E.RU
Рис. 4. Сравнительная диаграмма способности
транспортировать тепло обычных и ТРПК
ческой доработке (распиливании, фрезеровании, шлифовке и т. д.). Эти дополнительные
операции весьма трудоемки и увеличивают
себестоимость изготовления деталей.
Более низкие усадки и коэффициенты линейного термического расширения у ТРПК позволяют снизить допуски на посадочные места
для тепловыделяющих элементов МЭУ. За счет
этого уменьшаются воздушные теплоизолирующие зазоры (между тепловыделяющим
элементом и радиатором охлаждения), улучшаются условия теплопередачи, в ряде случаев отпадает необходимость применения термопасты.
Из ТРПК могут быть легко получены изделия
практически любой формы (3D-дизайн). Это
позволяет разработчикам проектировать более
сложные и развитые теплопередающие поверхности радиаторов (рис. 5), а также использовать для этих целей другие детали МЭУ
(монтажные планки, ребра жесткости, перегородки, собственно сами корпуса, оболочки
устройств и т. д.), создавая, по сути, интегрированную систему пассивного охлаждения с гораздо большей эффективной площадью теплообмена.
Так, разработчики фирмы Apple выполнили
термооинтерфейс видеопроцессора в виде
элемента внешнего корпуса ноутбука (рис. 6).
Это позволило эффективно охлаждать видеопроцессор без применения вентилятора и повысить стабильность работы ноутбука.
По данным фирмы Сооl Polymers, два одинаковых по размеру радиатора, изготовленных
из алюминия и ТРПК на основе углеродного
наполнителя, продемонстрировали в условиях естественного охлаждения практически
Рис. 5. 3D-радиатор из ТРПК
55
56
МАТЕРИАЛЫ
LED светят, ТРПК — охлаждают
Рис. 6. Теплорассеивающая панель из ТРПК
для видеопроцессора ноутбука
Apple РПК
одинаковую теплопроизводительность, причем
ТРПК не требовали дополнительной механической доработки. В итоге (при крупносерийном производстве) радиаторы, изготовленные
из ТРПК, стоили почти в два раза меньше, а их вес
уменьшился на 40%.
При использовании ТРПК с углеродным наполнителем, имеющим низкое электрическое поверхностное сопротивление, появилась возможность минимизировать так называемый
«антенный эффект» от металлических радиаторов,
уменьшив тем самым «радиозаметность» МЭУ.
Важным преимуществом изделий из ТРПК является почти двукратное — по сравнению с аналогичными изделиями из алюминия — снижение
веса. Это особо важно для носимых МЭУ (рации,
фонари на основе LED-технологий), для снижения
полетной массы изделий с применением МЭУ
и повышения их виброустойчивости.
Кроме термоинтерфейсов, ТРПК находят применение и в других технических приложениях:
• Катушки, втулки с проволочной намоткой
(соленоиды, дроссели, катушки зажигания, детали трансформаторов и т. д.).
Выделяющееся при работе этих изделий
тепло эффективно рассеивается по всей
детали, предотвращая местные перегревы
и увеличивая надежность в целом, позволяя
уменьшить габариты изделия.
• Тепловые трубы — устройства для эффективной теплопередачи, использующие эффект
поглощения и выделения теплоты фазового
перехода некоторых жидкостей (рис. 7).
Из ТРПК изготавливается как теплопоглощающая панель тепловых труб (причем она может
одновременно быть гнездом для установки
МЭУ), так и теплоизлучающая панель (внутри
которой происходит конденсация рабочего тела,
а на поверхности — внешний теплообмен).
Рис. 7. Тепловые трубы, изготовленные
с применением ТРПК
LED (Light Emitting Diode) и светильники
на их основе являются, вероятно, наиболее
перспективной и емкой сферой применения
ТРПК. Стремительный прогресс в создании
все более мощных и миниатюрных светоизлучающих диодов (СИД) создал ситуацию,
когда отвод тепла, неизбежно возникающего
при работе мощных и сверхмощных СИД,
становится одной из главных проблем для
их стабильной работы.
В качестве светоизлучающего элемента в светодиододах используются полупроводниковый
кристалл (LED Chip) (рис. 8), преобразующий
часть подводимой к нему электрической энергии в световое излучение. Остальная часть
энергии выделяется в виде тепла.
Физика работы полупроводникового кристалла такова, что с повышением температуры
кристалла (выше 100 °C) его яркость падает,
а дальнейшее увеличение температуры приводит к его пробою. Это означает, что поддержание теплового режима работы и отвод
излишнего тепла являются критически важным
условием для работы СИД.
Анализ трех составляющих выделения тепла
(тепловое излучение, конвекция, теплопроводность) для четырех основных типов светильников показывает, что основное тепло
(>90%) передается от полупроводникового
кристалла за счет механизма теплопроводности непосредственно на его металлическую
подложку, то есть в корпус лампы. Лишь 5%
тепла уходит в виде теплового (инфракрасного) излучения (рис. 8).
Рис. 8. Стандартная (многокомпонентная)
конструкция светодиода
Буквально с точностью до наоборот выделяется тепло в традиционных лампах накаливания, галогеновых лампах. Основное тепло
(>90%) выделяется в этих светильниках в окружающую среду в виде теплового излучения.
Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по поддержанию
теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы для индустрии LEDсветильников. Как показывает мировой опыт,
применение теплорассеивающих полимерных
композитов для решения проблемы тепловой
стабильности дает возможность повысить
надежность работы LED-светильников, снизить
себестоимость их изготовления. При этом
использование ТРПК целесообразно как в конструкции самих светодиодов, так и в их «обрамлении» — термоинтерфейсах, собственно
самих светильниках, фонарях.
Примение ТРПК в конструкции
и термоинтерфейсах LED
Американская компания Lynk Labs запатентовала технологию ThermaLynk, использующую
ТРПК как конструкционную основу LED Chip
(рис. 9). При этом кристалл размещается
в монолитном модуле подложка-радиатор,
отлитом из ТРПК. Такое решение резко упрощает традиционную конструкцию (рис. 9)
светодиода, снижает его себестоимость.
Рис. 9. Перспективная (малокомпонентная)
конструкция светодиода на базе ТРПК
Проблема «теплового комфорта» LED в последнее время особенно остро стоит при проектировании мощных носимых светильников (фонари,
мини-прожекторы, сигнальные маяки и т. п.),
где использование для охлаждения традиционных металлических радиаторов и рефлекторов
приводит к критическому увеличению веса,
усложнению и удорожанию конструкции.
ТРПК позволили решить и эту проблему. Так,
например, применение композита LATICONTER
с теплопроводностью 10 Вт/м·K в фонарях
фирмы Fanton SpA позволило создать сверхкомпактный легкий фонарь, создающий
освещенность в 1500 лк. В этих изделиях
практически отсутствуют металлические комплектующие.
Комапния Philips заявила о разработке серии
инновационных светильников MR16 на основе трех мощных светодиодов для прямой замены в стандартных 12-В галогенных светильниках (рис. 10).
Форм-фактор этого светильника полностью
соответствует стандартному типоразмеру 12-В
галогенных светильников. Практически весь
он выполнен из теплорассеивающей пластмассы фирмы DSM (США).
Рис. 10. Светильник MR16 с корпусом из ТРПК
Приведенные выше примеры отражают лишь
малую часть потенциальных областей применения
ТРПК в технике и подтверждают мнение авторитетных экспертов, что эти композиты в ближайшем
десятилетии будут одними из самых востребованных новых полимерных материалов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕТОТЕХНИКА №1’2010