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.
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..
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.
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.
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.
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.
