Инструменты, цифровые технологии, связь, измерения

Графитовый термоинтерфейс от Panasonic

24 июля 2018 г. в 15:15

Силовые модули, такие как IGBT транзисторные сборки, диодные и тиристорные модули, имеют высокое тепловыделение. Для отвода тепла традиционно используются радиаторы, которые часто оказываются самыми габаритными изделиями силового блока. Кроме того, модули обычно монтируются на радиатор с помощью термопасты, которая не только не обеспечивает электроизоляцию, но и вызывает проблемы при обслуживании и демонтаже.

Компания Panasonic Industrial разработала инновационное решение — искусственный графитовый материал PGS, который обеспечивает теплоотвод с эффективностью в 8 раз превышающей алюминиевые и в 5 раз медные радиаторы — от 400 до 1950 Вт/(м*К). Но не спешите удивляться высокой эффективности. Кроме этого новый материал сверхлегкий, сверхплоский (до 10мкм), может гнуться и вырезаться под компонент любого размера. Теплоотвод осуществляется как в проекции X-Y, так и Z. Другими словами, обычные материалы отводят тепло (передают от источника нагрева к радиатору), а PGS листы рассеивают его.

Искусственный графитовый материал PGS

Однако любой теплоотвод имеет свои ограничения. Они есть и у PGS пленки. Это анизотропный материал, который отлично проводит тепло в проекции X-Y, а вот по оси Z его теплопередача составляет всего лишь 20 Вт. Он сделан из высокоориентированной графитовой полимерной пленки, чья структура близка к одиночному кристаллу. Шестигранная структура кристалла графита унифицировано расположена в 2D структуре. Материал идеально подходит для использования в качестве радиаторов и теплоизоляторов в тех приложениях, где использование стандартных радиаторов невозможно по причине их больших габаритных размеров. Кроме того, его можно использовать в качестве дополнительного средства теплоотвода наряду со стандартными компонентами. Материал является гибким, поэтому из него можно вырезать объект любой требуемой формы. Основными преимуществами PGS материала являются низкое термосопротивление, высокая теплопроводность и простота применения.

Материал

Искусственные гибкие графитовые листы были разработаны компанией Panasonic, за это изобретение компания была удостоена нескольких премий, в частности, Inchimura-Industrial Award, Okochi-Memorial Award и др. В основе материала лежит обычный углерод, который представлен в природе в виде алмаза, графита или углеродной сажи. Пиролитический графит образуется в процессе спекания, полимерная пленка нагревается до состояния расщепления в камере без доступа воздуха. Первый обжиг преобразует полимер в углерод, второй обжиг образует шестиугольную углеродистую цепочку графита.

Искусственный графит отличается малым весом, высокой стабильностью и стойкостью к воздействиям окружающей среды..

Искусственный графит

Кристаллическая решетка графита организована по плоскостному принципу, шестиугольные ячейки атомов находятся в одной плоскости, что делает структуру слоистой. Отсюда вытекает мягкость материала, обеспечивающая конформность термопрокладки.

Кристаллическая решетка
Кристаллическая решетка

Еще одна положительная черта искусственного графита — он не выделяет силоксан при нагреве. Этим «страдают» кремнийорганические материалы (стандартные силиконовые прокладки), поэтому по международным стандартам они запрещены к применению в медицинской и оптической промышленности, а также при работе с датчиками. Мы уже упомянули, что разработка искусственного графита позволило добавить материалу свойства электроизолятора. Дополнительным «бонусом» применения графитовых подложек является и экранирование от электромагнитных помех.

Теплопроводность

Параметры теплопроводности графитового материала не могут не удивлять, от 400 до 1860 Вт/м*К. Помимо теплопроводности, материал обладает и хорошей скоростью как передачи тепла, так и охлаждения.

Сравнение теплопроводности алюминия, меди и PGS-листов
Сравнение теплопроводности алюминия, меди и PGS-листов

Другой эксперимент показывает рассеивание тепла тех же материалов: PGS, меди и алюминия. Здесь наглядно видно, что графитовые листы более равномерно распределяют тепло по всему радиатору, защищая источник тепла от перегрева.

Для тестов использовался резистивный элемент 12Вт на радиаторе 90х90мм
Для тестов использовался резистивный элемент 12Вт на радиаторе 90×90мм

Термосопротивление

Термосопротивление показывает степень «непроводимости» тепла материалом. Материалы с более низким термосопротивлением будут более эффективно отводить тепло. Термосопротивление графитового материала лучше традиционной теплопроводной пасты, даже при наличии у него ламинирующего и клеевого слоя. Измерения проводились на тестере термоинтерфейсов TIM Tester (производитель ANALYSIS TECH, стандарт ASTMD5470). Типичный уровень термосопротивления составляет 0.2K•см.кв /Вт (при приложенном давлении 600 кПа). Принципиальное значение для эффективной работы термоинтерфейса имеет приложенное давление, поэтому материал должен использоваться только как прокладка для винтового крепления силового модуля к радиатору или корпусу. Коэффициент сжатия термоинтерфейса составляет 40%. Максимальная эффективность подложек достигается при максимальном сжатии.

Другой важный момент — долговременная стабильность термосопротивления. Графитовый материал Panasonic показывает стабильно низкое термосопротивление во всем периоде эксплуатации. Многим инженерам известна такая ситуация: металлические пластины силовых модулей при нагреве расширяются и сжимаются при охлаждении, при этом происходит «выдавливание» пасты за пределы подложки. При охлаждении модуля паста не занимает образовавшиеся пустоты, в результате чего ее термосопротивление в процессе эксплуатации значительно ухудшается.

В таблице приводятся результаты тестов после 120 циклов термоциклирования от −40 до +100С

Теплопроводящий материал Первоначальное состояние После 120 циклов термоциклирования
Паста
PGS материал

Эксплуатационные характеристики

PGS материал от Panasonic удобен в монтаже и логистике. В отличие от пасты, он выпускается в листовом исполнении и легче подлежит складскому учету. Также графитовые листы удобны в случае ремонта или обслуживания силового блока. Модуль можно демонтировать, а затем повторно установить на ту же подложку. Кроме того, рабочий диапазон температур данного материала можно признать максимально широким среди всех термоматериалов, от −50 до +400°С.

Также графитовые листы отличаются высокой гибкостью, что позволяет их использовать на поверхностях с любым рельефом. Сгибание материала не отражается на его теплопроводных свойствах.

Эластичность или конформность

Искусственный графит нельзя в полной мере назвать конформным материалом (т.е. материалом, который заполняет все неровности поверхности). Для его монтажа в любом случае требуется прижим, винтовое крепление или зажим. Это обеспечит защиту от воздушных ям. Графитовые теплопроводящие интерфейсы выпускаются в двух модификациях: стандартные (EYGA) и мягкие (EYGS). Преимущество мягких материалов заключается в их способности эффективно работать даже с неровными поверхностями. При винтовом зажиме материал равномерно распределяется внутри полости, обеспечивая максимальный отвод тепла. Кроме того, материал является очень гибким. Он допускает более 100 тысяч циклов сгибания на угол 90 градусов (при радиусе сгиба 5мм). При увеличении угла сгиба или уменьшении радиуса сгиба количество циклов может уменьшаться до 3000 минимум.

Модельный ряд

Искусственный графит, как и любой другой теплопроводящий материал, обладает некоторыми недостатками, например, электропроводностью или плохой конформностью (способностью заполнять неровности рельефа). Для минимизации влияния этих недостатков выпускаются различные модификации графитовых подложек:

  • стандартные EYGA
  • повышенной мягкости EYGS
  • с эластомером EYGE

Кроме того, подложки стандартного исполнения выпускаются с различными дополнительными верхними и нижними слоями: на клеевой акриловой основе (суффиксы -А, -М, -F), с ламинирующим слоем из полиэстера (суффиксы -P, -D), с высокотемпературными защитными слоями (суффикс -V).

Толщина, МКМ 10 17 25 40 50 70 100
Теплопроводность, ВТ/МК X-Y 1900 1750 1600 1350 1300 1000 700
Z 10 11 18 20 20 20 26
Термодиффузия, КВ.СМ/C 10-12 10-11 9-10 9-10 8-10 8-10 8-10
ПлотностьЛ, Г/КУБ.СМ 2.13 2.10 1.95 1.80 1.70 1.21 0.85
Удельная теплоемкость при 50С 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85
Термосопротивление, °С 400 400 400 400 400 400 400
Сила прижатия, МПА X-Y 40 40 30 25 20 20 20
Z 0.1 0.1 0.1 0.4 0.4 0.4 0.4
Тест на сгибание, R5/180°, РАЗ 30000 и более
Электропроводность, С/СМ 20000

Особенности применения

Графитовые термоинтерфейсы не отличаются стойкостью к химическим воздействиям, поэтому на них не должны попадать растворители, соленая вода, газы, а также прямые солнечные лучи. Также не рекомендуется дотрагиваться до прокладок в рабочем состоянии, это может привести к ожогу. Кроме того, графитовый материал не стоек к механическим воздействиям, поэтому следует избегать царапин и соприкосновения с трущимися поверхностями.

Следующим важным моментом является правильность ориентирования термолистов. Напомним, что искусственный графит является анизотропным материалом и хорошо проводит тепло по X-Y оси и плохо по Z оси.

Стандартные графитовые листы серии EYGA используются в нагревателях сидений, подогреве руля, серверных стойках центров обработки данных. Листы на мягкой компрессионной основе EYGS получили широкое применение для теплоотвода силовых модулей.

При использовании материала в силовой электронике инженеры компании Panasonic предлагают удобный инструмент для подбора оптимального термоинтерфейса в зависимости от типа используемого силового модуля (доступны производители Mitsubishi, Semikron, Fuji, Infineon, Hitachi, Littlefuse).

Мягкие термоинтерфейсы EYGS выпускаются как в стандартных листах, так и уже готовыми для применения под конкретные модули, в этом случае подложки имеют винтовые отверстия (от 2 до 12) различного диаметра.

Источник: Компания «ПЛАТАН»

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Термошкаф ТША110-38.60.21-75-У1

Термошкаф ‘Амадон’ всепогодный с обогревом, монтажной панелью, однодверный. Система климат-контроля: обогрев, устройство контроля микроклимата (УКМ-2М1). Габариты (Ш х В х Г): 380 х 600 х 210 мм. Мощность нагревателя — 75 Вт. УКМ-2М1 — электронное устройство контроля температуры и влажности. Выносной датчик, функция «теплый старт», LED-индикация, подача «L, N» на 2 силовых канала. Защита настроек паролем. Сигнализация перегрева. Материал корпуса — листовая сталь, структурное порошковое покрытие. Степень защиты — IP66. Климатическое исполнение — У1 (до -45 °С). Вес — 22,1 кг. Цвет — RAL 7035. Стоимость 19 545 руб.
Гречников Кирилл · Амадон · 17 мая · Россия · г Москва
Термошкаф ТША110-38.60.21-75-У1

ПРОДАМ: Термошкафы для оборудования,Термобоксы,Термочехлы,Электро-распределительная продукция

Термошкаф позволяет устанавливать оборудование на улице, в неотапливаемых помещениях, а так же в местах, где нет условий для нормальной работы оборудования. Термошкаф поддерживает внутри необходимый уровень температуры, тем самым обеспечивая нужный температурный режим для установленного оборудования. Термошкаф защищает оборудование не только от низких или, наоборот, высоких температур окружающей среды, но и от иных негативных воздействий, например: выпадения конденсата, снега и наледи, песка и пыли, ультрафиолетового излучения и пр., позволяют оборудованию работать при агрессивной химической среде. Так же термошкафы и термобоксы защищают установленное внутрь оборудование от механического воздействия, могут обеспечить контроль несанкционированного доступа. Отличительной особенностью оборудования, произведенного «Амадон Инжиниринг» является тот факт, что продукция выпускается не только для эксплуатации внутри помещений (климатическое исполнение У3), но и для работы в различных уличных условиях (климатическое исполнения У1, Т1, УХЛ1). Благодаря использованию при изготовлении продукции термошкафов и термобоксов, электрораспределительные шкафы могут эксплуатироваться не только в условиях с низкой температурой окружающей среды (от -60 С), но и в условиях повышенной влажности, запыленности, сильного ультрафиолетового излучения, возможного образования наледи. Возможен выпуск продукции в антивандальном корпусе (так же возможно поставка продукции в антивандальном термобоксе). ассортимент представлен линейками: термошкафы серии ТША1 - термошкаф с монтажной панелью (с обогревом, с вентиляцией, с системой охлаждения)(ТША 110,112,110-С) термошкафы серии ТША2 - термошкаф 19" телекоммуникационный с монтажной панелью и кронштейном (с обогревом, с вентиляцией, с системой охлаждения) (ТША210-;ТША212-;ТША210-С) термошкафы серии ТША3 - термошкаф 19" телекоммуникационный с монтажными стойками и 19'' шинами (с обогревом, с вентиляцией, с системой охлаждения)...
Гречников Кирилл · Амадон · 17 мая · Россия · г Москва
Термошкафы для оборудования,Термобоксы,Термочехлы,Электро-распределительная продукция

ПРОДАМ: Термошкаф ТША110-120.120.40-500-У1

Термошкаф ‘Амадон’ всепогодный с обогревом, монтажной панелью, двухдверный. Система климат-контроля: обогрев, устройство контроля микроклимата (УКМ-2М1). Габариты (Ш х В х Г): 1200×1200×400 мм. Мощность нагревателя — 500 Вт. УКМ-2М1 — электронное устройство контроля температуры и влажности. Выносной датчик, функция «теплый старт», LED-индикация, подача «L, N» на 2 силовых канала. Защита настроек паролем. Сигнализация перегрева. Материал корпуса — листовая сталь, структурное порошковое покрытие. Степень защиты — IP55. Климатическое исполнение — У1 (до -45 °С). Вес — 108,5 кг. Цвет — RAL 7035. Купить термобоксы предлагает компания «Амадон». Цены термошкафов узнавайте у менеджеров по телефону
Гречников Кирилл · Амадон · 17 мая · Россия · г Москва
Термошкаф ТША110-120.120.40-500-У1

ПРОДАМ: Комнатные термостаты (регуляторы) Siemens

Комнатные термостаты (регуляторы) для котлов, фэнкойлов и теплых полов. Серия RAA: RAA10, RAA20, RAA30, RAA30.16/GR, RAA30.26/GR, RAA40, RAA11, RAA21, RAA31, RAA41 Серия RDD: RDD10, RDD10.1, RDD100.1 RDD100, RDD100RFS Серия RDE: RDE10, RDE10.1, RDE100.1, RDE100, RDE100.1RFS, RDE20.1 Серия REV: REV12, REV12-B, REV16, REV23, REV33. Серия REV: REV100, REV200, REV300. Серия RDG: RDG100, RDG100KN, RDG100T, RDG110, RDG140, RDG160, RDG400, RDG400KN. Серия RDH: RDH10 Серия RDJ: RDJ10
Ханбиков Марат · ОВК-Автоматика · 13 мая · Россия · Свердловская обл
Комнатные термостаты (регуляторы) Siemens

ПРОДАМ: Термошкаф «Амадон» ТША110-60.60.21-150-У1

Термошкаф ‘Амадон’ всепогодный с обогревом, монтажной панелью, однодверный. Система климат-контроля: обогрев, устройство контроля микроклимата (УКМ-2М1). Габариты (Ш х В х Г): 600 х 600 х 210 мм. Мощность нагревателя — 150 Вт. УКМ-2М1 — электронное устройство контроля температуры и влажности. Выносной датчик, функция «теплый старт», LED-индикация, подача «L, N» на 2 силовых канала. Защита настроек паролем. Сигнализация перегрева. Материал корпуса — листовая сталь, структурное порошковое покрытие. Степень защиты — IP66. Климатическое исполнение — У1 (до -45 °С). Вес — 29,3 кг. Цвет — RAL 7035. стоимость 22 589 руб.
Гречников Кирилл · Амадон · 17 мая · Россия · г Москва
Термошкаф «Амадон» ТША110-60.60.21-150-У1
Компания LEDVÁNCE — один из ведущих мировых производителей осветительной техники: традиционных источников света, энергоэффективных светодиодных ламп, светильников, инновационных светотехнических решений для «умного дома». Продукция компании предназначена как для профессионального, специализированного применения, так и для конечного потребителя.