11 Февраля 2020

Авторы: Болдырев А.Ю.; Ветров И.Ю.

Аннотация

Разработчики современной преобразовательной техники стремятся к повышению удельной мощности преобразователей. Один из этапов данной работы — это решение задачи по повышению эффективности отведения тепла от силовых полупроводниковых ключей, таких как IGBT модули. Помимо необходимости выбора охладителя и силового IGBT ключа с минимальными тепловыми сопротивлениями, важным является выбор и правильное применение теплопроводящего материала (TIM), который обеспечит необходимый тепловой контакт модуля и охладителя.

Компания АО «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» провела собственное исследование теплопроводящих материалов, результаты которого представлены в данной статье.

Введение

Во время работы IGBT модули выделяют большое количество тепла, для отведения которого применяются различные охладители. Количество тепла, которое способна отвести от себя система модуль-охладитель, определяется ее общим тепловым сопротивлением. Значительный вклад в это сопротивление вносит материал термоинтерфейса, нанесенного между основанием модуля и охладителем. У любого материала, применяемого в качестве термоинтерфейса, собственное тепловое сопротивление Rth выше, чем у алюминия или меди, из которых изготавливаются охладитель и основание модуля. Отказаться от использования TIM нельзя, потому что он компенсирует неровности, каверны и пустоты, вызванные неидеальностью совмещаемых поверхностей. Воздух, заполняющий эти неровности, препятствует нормальной теплопередаче, так как обладает низкой теплопроводностью. Для обеспечения качественного теплового контакта применяют несколько видов теплопроводящих материалов, получивших наибольшее распространение в силовой электронике, таких как: термопасты, различные типы термопрокладок, а также материалы с изменяющимся фазовым состоянием.

Традиционно разработчики преобразовательной техники используют силиконовые теплопроводящие пасты. Имея низкую стоимость, они обладают достаточно высокой теплопроводностью. Однако, теплопроводящие пасты имеют ряд недостатков, например, они способны выдавливаться из-под основания модуля из-за капиллярного и pump-эффектов во время термоциклирования. Многие термопасты подвержены пересыханию с течением времени, которое влечет за собой рост теплового сопротивления и может привести к отказу оборудования в будущем. Также для избежания нежелательных загрязнений, которые возникают при нанесении силиконовой термопасты, необходима соответствующая организация технологического процесса, которая требует дополнительных инвестиций.

С течением времени на смену термопастам пришли теплопроводящие прокладки. Термопрокладки, выполненные на основе силикона, имеют более долгий срок службы до момента пересыхания, не подвержены капиллярному и pump -эффектам и более удобны в использовании, чем термопасты. При этом термопрокладки имеют достаточно высокую стоимость относительно силиконовых теплопроводящих паст. Современные технологии позволили создать теплопроводящие прокладки, выполненные на основе графита. Графитовые термопрокладки превосходят по тепловым характеристикам силиконовые и практически не подвержены эффектам старения, что значительно увеличивает их срок службы. Однако графитовые теплопроводящие прокладки в настоящее время имеют еще более высокую стоимость, чем классические силиконовые прокладки.

Сегодня в силовой электронике все большее применение находят материалы с изменяющимся фазовым состоянием (англ. Phase-Change Material – PCM). Основное свойство PCM – это способность менять свое агрегатное состояние при достижении температуры фазового перехода. Иными словами, материал переходит из твердого состояния в жидкое при достижении определенного температурного порога. Данный процесс является обратимым, и, после снижения температуры ниже значения температуры фазового перехода, PCM вновь затвердевает.

PCM в качестве термоинтерфейса объединяет в себе преимущества классических термопаст и теплопроводящих прокладок, однако, при соблюдении температурных режимов, не подвержен пересыханию, капиллярному эффекту и эффектам деградации материала, характерным для термопаст, а также имеет гораздо более низкую стоимость по сравнению с термопрокладками. Твердое агрегатное состояние PCM материалов при нормальных условиях позволяет поставлять IGBT модули с уже преднанесенным термоинтерфейсом, что исключает технологический этап нанесения TIM у конечного потребителя и позволяет упростить и существенно ускорить монтаж модулей.

В рамках исследования TIM компанией АО «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» было протестировано 3 типа теплопроводящих материалов:

1. Силиконовая термопаста;
2. Графитовая подложка;
3. PCM (парафиносодержащий).

Толщина слоя TIM

Чтобы минимизировать собственное тепловое сопротивление термоинтерфейса, необходимо подобрать минимально достаточную толщину слоя TIM, которая способна компенсировать неровности основания модуля и охладителя. Основываясь на опыте применения теплопроводящих материалов, для силовых полупроводниковых приборов, таких как IGBT модули, оптимальная толщина слоя TIM составляет от 50 до 90 мкм.

Рисунок 1. Зависимость теплового сопротивления Rth(c-h) от толщины теплопроводящего материала

Процесс нанесения

Условно жидкие материалы, такие как силиконовая термопаста и PCM, наносились на основание модуля при помощи трафарета сотовой структуры. Применение трафарета данного типа обеспечивает равномерную толщину слоя и высокую повторяемость рисунка. Выбор рисунка обусловлен свойством шестиугольников наиболее эффективно заполнять площадь поверхности. Площадь и количество отверстий, в совокупности с толщиной трафарета, позволяют обеспечить необходимую толщину и равномерность слоя TIM. Структура трафарета для нанесения, используемого в процессе испытаний, представлен на рисунке 2а.

Неоднородность рисунка трафарета необходима для компенсации деформаций основания, вызванных внутренней топологией IGBT модуля. Как видно из рисунка 2б, с использованием такого типа трафарета происходит полное распределение материала. В местах, где обеспечивается прямой контакт металл-металл, например, в области монтажных отверстий, попадание TIM при монтаже модуля нежелательно, так как это препятствует нормальному распределению материала в центре основания модуля.

После нанесения PCM на основание модуля материал необходимо подвергнуть сушке, так как в его составе находится растворитель. Наличие растворителя необходимо для упрощения процесса нанесения.

Силиконовые и графитовые подложки, в отличие от термопаст, не нуждаются в дополнительном оборудовании для нанесения.

Рисунок 2. Структура трафарета для нанесения PCM (а), распределение материала на основании (б).

Испытания материалов

Основной критерий сравнения материалов — изменение значения теплового сопротивления основание модуля‑охладитель (Rth(c-h)). Наибольшее влияние на данный параметр оказывает длительное воздействие повышенной температуры. В качестве сравнительного испытания было проведено высокотемпературное хранение (испытание на старение). Методика проведения испытаний: модули монитуются на алюминиевую пластину через один из типов TIM (силиконовая термопаста, PCM и графитовая подложка). Затем сборка устанавливается на охладитель через силиконовую термопасту. В основании модуля, непосредственно под чипами, а также в алюминиевой пластине просверлены отверстия для установки термопар. Схема установки для испытаний представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема проведения измерения значения Rth(c-h).

Для проведения высокотемпературного хранения модулей с преднанесенным PCM были выбраны две группы, которые испытывались в различных режимах:

• Группа 1:

Модули испытывались при температуре Т = 100°С в течение 500 часов, после чего температура была увеличена на 10°С (до 110°С), и испытания продолжились еще 500 часов. Общее время испытаний модулей суммарно составило 1000 часов.

• Группа 2:

Модули испытывались при температуре Т = 150°С, в течение 1000 часов без изменений температурного режима.

Основным критерием выбора температуры для испытаний PCM является наличие парафина в составе материала. Температура испарения парафина при нормальных атмосферных условиях равна 90°С, но, так как материал находится в ограниченном пространстве под давлением, испытания проводились при более высоких температурах.

Силиконовая теплопроводящая паста и графитовые подложки были испытаны на температурах 150°С и 135°С соответственно.

Результаты испытаний представлены на рисунках 4 и 5.

До проведения высокотемпературного хранения наибольшее значение Rth(c-h) показала силиконовая термопаста. Также в процессе испытаний она показала наибольший рост значения теплового сопротивления. После 1000 часов испытаний силиконовая термопаста частично высохла и потрескалась.

Графитовые подложки, как видно из результатов испытаний, показали наименьшее первоначальное значение  теплового сопротивления Rth(c-h). После 500 часов испытаний их тепловое сопротивление стабилизировалось на уровне 0,0193 К/Вт и сохранялось до окончания высокотемпературного хранения.

Для модулей с преднанесенным PCM, в группе 1, значение Rth(c-h) снизилось и стабилизировалось на отметке 0,0193 К/Вт до момента повышения температуры до 110°С (после 500 часов), далее наблюдается постепенный рост значения Rth(c-h), и после 1000 часов испытаний составило 0,0211 К/Вт. После демонтажа модулей материал сохранил способность изменения фазового состояния и при нагревании выше 45°С PCM переходил из твёрдого состояния в жидкое.

Для модулей с преднанесенным PCM, в группе 2, так же как и в группе 1, заметно снижение и стабилизация значения Rth(c-h), однако, после отметки примерно в 100 часов, наблюдается рост теплового сопротивления. К отметке в 1000 часов значение Rth(c-h) превысило 0,1100 К/Вт. После испытаний TIM утратил способность изменять фазовое состояние. В процессе испытаний парафин испарился из состава материала, TIM потерял свои phase-change свойства и полностью высох. В таком состоянии PCM трудноудалим с поверхностей модуля и охладителя без механической обработки.

Рисунок 4: Значения Rth(с-h) двух групп модулей, с преднанесенным PCM, испытанных на 150°С и 100/110°С

Рисунок 5: Изменения значений Rth(с-h) модулей в процессе испытаний

Заключение

Из проведенных испытаний можно сделать вывод, что применение парафиносодержащего PCM при температуре основания модуля свыше 100°С нежелательно и с течением времени может привести к отказу IGBT из-за перегрева. Однако, при обеспечении должного охлаждения и соблюдения режимов работы приборов, при которых основание модуля не будет разогреваться свыше 100-110°С, у РСМ есть ряд преимуществ, а именно:

• Низкая стоимость материала относительно теплопроводящих прокладок;
• Стойкость к капиллярным и pump-эффектам;
• Стойкость к пересыханию в течение длительного периода времени;
• Возможность поставки модулей с уже преднанесенным на основание материалом.

Графитовые термопрокладки возможно использовать для высоконагруженных систем, там, где важна высокая мощность и где температуры основания модуля будут близки к максимально допустимым. Графитовые подложки практически не подвержены эффектам старения и негативному влиянию циклических температурных воздействий, данный тип материала не выдавливается из-под основания модуля и при монтаже полностью повторяет форму основания модуля и охладителя, что обеспечивает плотное прилегание к контактным поверхностям. Благодаря вышеперечисленным преимуществам графитовые подложки прослужат гораздо дольше термопаст или силиконовых термопрокладок. Также к преимуществам графитовых подложек можно отнести возможность их многоразового использования.

Как показывают испытания, не стоит списывать со счетов и силиконовые термопасты. Несмотря на все свои недостатки, силиконовая термопаста по-прежнему остается самым дешевым теплопроводящим материалом, имеющим достаточно низкое тепловое сопротивление. При работе модулей на температурах, не превышающих 130°С, силиконовая термопаста может обеспечить продолжительный ресурс работы модуля до его замены.

Вернуться назад

Reddit — Погрузитесь во что угодно

Несколько лет назад я взял на себя ответственность сделать обзор термопасты Corsair XTM50. Очевидно, в этом обзоре она выглядела не слишком хорошо для них, но, честно говоря, это пригодная паста для большинства потребительских чипов. Тем не менее, мне нравится раздвигать границы процессоров HEDT, которым требуется наилучшая теплопроводность для отвода сотен ватт тепла от чипа.

Теперь перенесемся на несколько недель назад, когда /u/CorsairAnt обратился ко мне по поводу этого обзора. Им понравилась методология, которую я использовал для тестирования их XTM50, и они хотели, чтобы я провел такую ​​же работу с их XTM70. Однако теперь есть одно существенное отличие: у меня намного более интенсивная система для сравнения.

Я не буду упрощать XTM70, хотя… Он будет конкурировать с термопастами TFX от Thermalright и GC-Extreme от Gelid: оба широко известны тем, что выбивают его из парка как мощные нападающие. Всем трем этим пастам придется бороться с моей ежедневной ОС на Intel Core i9-7980XE.

Раскрытие информации : Мне не заплатили за этот обзор. Мне прислал термопасту Энтони из Corsair, чтобы высказать честное мнение.

Системные характеристики

• Intel Core i9-7980XE с тактовой частотой 4,8 ГГц, все ядра, сетка 3,2 ГГц, без Thermalright Silver King LM (1,322 Vcore Adaptive, 1,185 Vmesh, 1,93 VRIN, LLC high)

  9 x 80024 Viper 4 Blackout 4000C19 (настроен на 4000 МГц 15-16-14-30)

• Gigabyte X299X AORUS Master

• 2x XSPC EX360 rads, 6x Silent PMP-5 Blocker IV, высокоскоростные процессоры Kokiller IV, 3 высокоскоростных процессора , Быкский резервуар 50х250мм

• Corsair HX1200

• Tjunc Max установлен на 100c, вентиляторы, работающие при 100%, 1x резервуарный тепловой зонд воды, 1x 10K Thermistor для температуры впускного воздуха, установленных на борту EC_TEMP. Единственная справедливая рабочая нагрузка, которую я могу себе представить, чтобы действительно раздвинуть границы этого чипа, — это то, что я делаю в качестве стандартного обслуживания моей установки Arch Linux: перекомпилирую ядро ​​​​Linux с оптимизацией компоновщика -O3. Это более интенсивная тестовая нагрузка, чем любой другой тест, который я проводил на этом чипе, с GCC, способным довести мой чип до максимума TJunc, если температура окружающей среды неблагоприятна. Если хотя бы одно напряжение не соответствует норме, компилятор выдаст ошибку сегментации, и выполнение завершится ошибкой. Вы поймете, почему я считаю это самым напряженным, когда увидите приведенные ниже цифры потребляемой мощности.

  Результаты

  Thermalright TFX

  • Температура окружающей среды: 23,3

  • Температура жидкости: 24

  • Вентилятор.

  • ΔC над жидкостью при нагрузке: 74

  • Насыщенная нагрузка Частота ЦП: 4798 МГц

  • 12 1.

    302V

  • Saturated load CPU Package Power: 764W

  Corsair XTM70

  • Ambient temperature: 23.4

  • Liquid temperature: 24

  • Intake fan air температура: 25

  • ΔC над жидкостью без нагрузки: 4

  • ΔC над жидкостью под нагрузкой: 68

  • 4 частота CPU0012 4799MHz

  • Saturated load CPU Vcore: 1.303V

  • Saturated load CPU Package Power: 756W

  Gelid GC-Extreme

  • Ambient temperature: 23.3

  • Температура жидкости: 24

  • Температура воздуха всасывающего вентилятора: 25

  • ΔC над жидкостью без нагрузки: 7

    3

    002 Загружен ΔC над жидкостью:

    77

    • Насыщенная нагрузка CPU Частота: 4631 МГц

    • насыщенная нагрузка CPU VCOR

      Вывод:

      Что сказать? Результаты говорят сами за себя. Corsair XTM70 легко превосходит обе эти пасты и доказывает, что может выдерживать нагрузку почти 800 Вт без теплового дросселирования моего чипа. Я упомянул, насколько мне понравился трафарет, поставляемый с XTM50, и новые трафареты, которые они включают в XTM70, выглядят почти как идеальный размер для моего чипа LGA2066. В целом, чертовски хорошая сделка для того, что вы получаете с этой пастой, и простая рекомендация от меня. Всегда приятно иметь конкуренцию, которая время от времени встряхивает рынок.

      По мере того, как у меня будет больше времени, я также хотел бы вернуться к физике Time Spy, чтобы определить термики в этом тесте. Это будет менее щадящим, поскольку я запускаю свой чип на частоте 5,1 ГГц на всех ядрах с отключенной гиперпоточностью для целей тестирования.

      Arctic Cooling MX-2 Обзор | Сети APH

      Автор: Джонатан Кван
      Предварительно просмотрено 10 июля 2007 г.
      Завершено 1 августа 2007 г.

      Термопаста — интересная категория продуктов для обзора. Хотите ли вы назвать это упущенным или недооцененным, энтузиасты, чье внимание сосредоточено на производительности и разгоне, захотят, чтобы их тепловыделяющие компоненты работали как можно холоднее. При этом последнее, что кому-либо нужно, — это плохая теплопередача от одной среды к другой из-за недостаточного контакта. Теоретически металл-металл является наиболее оптимальным и эффективным методом теплопроводности. Тем не менее, нет двух абсолютно плоских поверхностей — хотя они довольно близки, микроскопические долины все же существуют на определенном уровне. В связи с этим используется материал теплового интерфейса, такой как паста. Наиболее популярным продуктом в этой области является непроводящее полисинтетическое серебро Arctic Silver 5, которое уже много лет доминирует на рынке. Сегодня Arctic Cooling бросает вызов лучшим, выпуская термопасту MX-2. Получит ли он звание лучшего? Давай выясним!

      Проверочные образцы термопасты Arctic Cooling MX-2 прибыли в пластиковом конверте DHL из офиса Arctic Cooling в Гонконге в тот же день, когда это было объявлено 10 июля 2007 года. К счастью, все прибыло в идеальном состоянии. даже коробка внутри Arctic Cooling использовалась как дополнительный уровень защиты.

      В конце концов, нам потребовалось несколько дополнительных недель, чтобы протестировать его и убедиться, что термопаста достигает необходимого времени перерыва для оптимальной работы.

      Нам прислали две розничные упаковки термопасты Arctic Cooling MX-2. Блистерные упаковки довольно трудно открыть; но можно утверждать, что это стандарт для изготовления розничных упаковок термопасты. В конце концов, я не понимаю, зачем кому-то использовать коробку для этой цели!

      Мне много раз говорили, что Arctic Cooling MX-2 не содержит металлических частиц; таким образом безопасно использовать вокруг электрических компонентов. Конечная цель MX-2 от Arctic Cooling — обеспечить высокую теплопроводность с низким термическим сопротивлением, не содержать металлических частиц, сохраняя при этом свои характеристики в течение длительных периодов времени. Хотя конкурирующий продукт Arctic Silver 5 представляет собой термопасту на основе полисинтетического серебра, в спецификации указано, что она также не проводит электричество.

      Тюбик выглядит довольно большим для применения — шприц-тюбик также кажется довольно удобным с точки зрения использования. Этот аспект, кажется, очень похож на термопасту Cooler Master NanoFusion, которую мы исследовали в прошлом году.

      Характеристики:
      * Высокая теплопроводность
      * Низкое тепловое сопротивление
      * Неэлектропроводный
      * Неемкостный
      * Неотверждаемый
      * Некоррозионный
      * Не выделяет
      * Без запаха

      3

      Технические характеристики
      Плотность: 3,68 г/см3
      Вязкость: 2850 пуаз
      Вес нетто: 4 г — Asus EN8800GTS 320MB на базе NVIDIA 8800GTS, который мы рассмотрели несколько дней назад. С диодом графического процессора, который в простое составляет 84 ° C, а при полной нагрузке — 95 ° C, почему бы не попробовать?

      Один из моментов, который я всегда хотел бы учитывать, это простота применения. В то время как NanoFusion от Cooler Master был «достаточно хорошей» пастой, он был сухим и думал; поэтому очень трудно применить. Arctic Silver 5 является достаточно гладким и тонким для работы, поэтому его очень легко наносить.

      Что касается MX-2 от Arctic Cooling, паста вытекает через кончик шприца, когда вы сжимаете верхнюю часть, но в противном случае вам нужно будет ее распределить. Хотя Arctic Cooling рекомендует наносить немного, а затем использовать давление кулера, чтобы распределить его, я бы предпочел использовать либо кредитную карту, либо зубочистку — это ваш выбор. Он не такой гладкий, как Arctic Silver 5, но, безусловно, с ним достаточно легко работать, и он хорошо растекается, когда вы его разглаживаете, но при этом сохраняет нетекучее состояние. Я был бы признателен за разбрасыватель карточного типа, входящий в комплект поставки, для легкого / гарантированного разбрасывания и нанесения.

      Переходя к нашим тестам, мы получили результаты при следующих условиях:

      — Всем пастам дали достаточное время для отстаивания. (Время перерыва — для Arctic Silver 5 и Arctic Cooling MX-2 приблизительное время перерыва составляет 200 часов.) примерно так же. Комната оборудована кондиционером для поддержания температуры около 23 градусов. 902:21 — Компьютер тестировался в одном и том же месте и положении на протяжении всех наших тестов.
      — ЦП и основание радиатора были тщательно очищены без остатка с помощью средства для удаления термопасты Arctic Silver ArctiClean и очистителя поверхности.
      — Наш компьютер был включен и работал в режиме ожидания не менее 30 минут для проведения тестов в режиме ожидания. Фоновые задачи, потребляющие ресурсы, не выполнялись.
      — результаты высокой нагрузки графического процессора были получены с помощью тестов Futuremark 3DMark06 Professional на максимальное тепловыделение в течение не менее 15 минут.

      Тесты проводились на компьютере со следующими характеристиками:

      ЦП: Intel Core 2 Duo E6300 @ 2,80 ГГц (400 МГц*7)
      Охлаждение ЦП: Scythe Infinity
      Материнская плата: Asus P-Deluxe WiFi-AP
      ОЗУ: OCZ Reaper HPC PC2-8500 2x1GB @ PC2-8000 5-5-5-15 4:5 с процессором
      Корпус: Thermaltake Aguila (Noctua NF-S12-800 — спереди / Noctua NF -S12-1200 Asus Q-Fan — сзади)
      Мощность: Seasonic M12 500 Вт
      Графика: ASUS EN8800GTS 320 МБ (стоковое охлаждение)
      Звук: Creative X-Fi Xtrememusic
      Оптический привод: NEC AD-7170A 18X DVD +/-RW 2444. BERATE 434343434341.10.10243434341.10.102434341.102434343. Операционная система: Microsoft Windows XP Professional SP2

      Обратите внимание, что мы измеряем температуру диода графического процессора.

      Используя стандартный радиатор Asus EN8800GTS 320MB, мы сравнили три разных термопасты. Стандартная паста привела к тому, что NVIDIA 8800GTS работала на холостом ходу при 84°C, в то время как Arctic Silver 5 снизила температуру до 81°C — разница в три градуса. Однако Arctic Cooling MX-2 показал себя еще лучше — 79с, это всего 5с отличие от оригинальной пасты.

      Обратите внимание, что для того, чтобы паста полностью осела и полностью раскрыла свой потенциал, потребуется соответствующее время перерыва. Когда мы впервые использовали MX-2, температура диода графического процессора в режиме простоя составляла 86°C.

      Что касается условий загрузки, драйвер даст команду вентилятору карты раскрутиться. Несмотря на это, мы взяли максимальную зарегистрированную температуру с опросом программ в фоновом режиме, чтобы получить наилучшие результаты. В то время как стоковая паста дает 95c, Arctic Silver 5 снижает температуру до 91°C (разница в 4°C), а MX-2 снизил ее до 89°C (разница в 6°C по сравнению с оригиналом; разница в 2°C по сравнению с Arctic Silver 5).

      Как можно иметь огромное отличие от стоковой пасты? Мы обнаружили, что в нашем тестовом образце Asus EN8800GTS 320MB паста вначале была плохо нанесена. Он был толстым, кровоточащим по краю и довольно неравномерно распределенным, что способствовало высокой температуре. Штатная термопаста на Asus EN8800GTS 320MB, вероятно, неплохая, но, скорее всего, то, как она была нанесена, повлияло на ее плохую производительность в наших диаграммах.

      Особая благодарность Патрику из Arctic Cooling за возможность проведения этого обзора.

      APH Review Focus Резюме:
      9/10 означает Отличный продукт с очень незначительными недостатками, которые не влияют на продукт в целом.
      8/10 означает Определенно очень хороший продукт с недостатками, которые вряд ли будут иметь значение для конечного пользователя.