Защита от перегрева - теплоизоляционный материал NASBIS от Panasonic

Плотность размещения компонентов в современных электронных устройствах постоянно возрастает. Речь идет как о портативных, так и о стационарных приборах. Благодаря миниатюризации и плотному размещению элементов, разработчикам удается умещать все больше функций во все меньшем объеме. Вместе с тем сам процесс разработки существенно усложняется по целому ряду причин. Одной из таких причин становится проблема отвода тепла.

Резисторы, транзисторы, микросхемы и любые другие электронные компоненты в процессе работы неизбежно генерируют тепло. Потребление современных микроконтроллеров и микросхем постоянно уменьшается, а их тепловыделение падает, однако даже столь небольшие источники тепла могут стать проблемой в ограниченном пространстве миниатюрных корпусов. Еще больше проблем создают мощные компоненты, такие как преобразователи напряжения и силовые транзисторы.

В большинстве случаев основным методом борьбы с перегревом становится качественный отвод тепла. Благодаря высокой теплопроводности меди (около 401 Вт/(м·K), во многих приложениях для эффективного теплоотвода будет достаточно обычного металлизированного текстолита (рис. 2). Чем толще слой металлизации, тем лучше теплоотвод. Для улучшения качества отвода тепла в мощных приложениях используют платы с алюминиевым основанием или массивные радиаторы. К сожалению такие варианты не подходят для портативных устройств. Исследователи постоянно ищут альтернативные способы отвода тепла в условиях ограниченного пространства. Например, в статье «Проблемы с отводом тепла? Решение есть - теплопроводящие графитовые пленки от Panasonic» мы уже рассказывали об одном из таких решений – пленках PGS с высокой теплопроводностью.

Рис. 1. Чтобы избежать перегрева, необходимо отводить тепло от мощных компонентов

Как правило, электронные компоненты для коммерческих приложений сохраняют гарантированную работоспособность только при температурах менее 85°С. Для измерительных и прецизионных схем, например, работающих в составе медицинских приборов, верхняя граница рабочих температур может быть еще ниже. По этой причине в условиях ограниченного пространства важно не только отвести тепло от горячих компонентов, но и защитить чувствительные части схемы от этого тепла. Инженеры компании Panasonic предлагают интересное и в то же время простое решение данной проблемы в виде теплоизолирующих пленок NASBIS. Если графитовые пленки PGS обладают сверхвысокой теплопроводностью от 700 Вт/(м·K) (почти вдвое больше чем у меди), то листы NASBIS, наоборот, являются эффективными теплоизоляторами и имеют теплопроводность всего 0,02 Вт/(м·K) (меньше, чем у воздуха).

На рис. 2 представлен внешний вид, а также структура материала NASBIS (NAno Silica Balloon InSulator). NASBIS имеет пористую структуру, образованную молекулами диоксида кремния. Диаметр молекул составляет 10 нм, а размер пор 10…60 нм. Таким образом, материал оказывается непроницаемым для молекул воздуха и способен эффективно бороться с конвекционной передачей тепла.

Рис. 2. Размер пор материала NASBIS (NAno Silica Balloon InSulator) не позволяет проникать молекулам воздуха

Использование теплоизоляционных прокладок не является чем-то новым, такие материалы используют, в частности, в ноутбуках. Однако у NASBIS есть сразу три важных преимущества:

• стабильность свойств при сжатии
• низкая собственная теплопроводность
• минимальная толщина

Первое достоинство NASBIS – стабильность свойств при сжатии. Если теплопроводность традиционных теплоизоляционных прокладок увеличивается при сжатии из-за уплотнения, то теплопроводность NASBIS остается практически неизменной (рис. 3). Таким образом, листы NASBIS можно формовать без опасения, что это навредит эффективности изоляции. Вполне очевидно, что устойчивость к сжатию – крайне важное преимущество, если речь идет о портативных устройствах.

Рис. 3. В отличие от традиционных теплоизоляционных прокладок NASBIS практически не изменяет своей теплопроводности при сжатии

Второе важное достоинство NASBIS – низкая теплопроводность. Для доказательства этого факта инженеры Panasonic провели эффектный и немного юмористический эксперимент, в ходе которого на металлическом противне разогревались два кусочка масла. Один из них находился непосредственно на противне, а второй на теплоизолирующей прокладке из NASBIS. Конечный результат изображен на рис. 4. Лист из NASBIS идеально изолировал масло от горячего противня и не дал ему растаять.

Рис. 4. Любопытный эксперимент демонстрирует эффективность NASBIS

Третье преимущество NASBIS заключается в минимальной толщине. Листы NASBIS могут иметь толщину всего 100 мкм. Благодаря этому их можно использовать для теплоизоляции элементов, расположенных вплотную друг к другу.

Разумеется, во многих приложениях простых листов NASBIS будет не достаточно. Чаще требуется, чтобы теплоизолирующая прокладка имела бы дополнительный диэлектрический слой для защиты от электрического замыкания/ пробоя и клеящий слой для удобного монтажа на поверхность. Также интересным представляется вариант с объединением в одной прокладке теплоизолирующего слоя NASBIS и теплопроводящего слоя PGS (рис. 5).

Рис. 5. Конструктивное исполнение теплоизолирующих листов NASBIS

В настоящее время компания Panasonic предлагает две серии теплоизолирующих листов NASBIS: EYGY и EYGN. Для обеих серий доступны модели с толщиной слоя NASBIS 100/ 500/ 1000 мкм.

EYGY – теплоизоляционные листы, состоящие из трех слоев: ПЭТ, NASBIS и клея. При этом существует два типа исполнения (рис. 6):

• Y-S type с толщиной ПЭТ 10 мкм
• Y-P type с толщиной ПЭТ 30 мкм

EYGN– композитные теплоизоляционные листы, состоящие из пяти слоев: ПЭТ, NASBIS, внутреннего клеевого слоя 6 мкм, графитового слоя PGS и внешнего клеевого слоя 10 мкм. Эта серия также имеет несколько исполнений (рис. 6):

• N-Stypeс толщиной ПЭТ 10 мкм и толщиной PGS 70 мкм
• N - S type с толщиной ПЭТ 10 мкм и толщиной PGS 25 мкм
• N - P type с толщиной ПЭТ 30 мкм и толщиной PGS 70 мкм
• N - P type с толщиной ПЭТ 30 мкм и толщиной PGS 25 мкм

Рис. 6. Типы теплоизолирующих листов NASBIS

Стоит еще раз напомнить об особенностях графитовых теплопроводящих листов PGS. PGS (Pyrolytic Graphite Sheet) – это сверхтонкие графитовые пленки (10…100 мкм), обладающие сверхвысокой теплопроводностью до 1950 Вт/(м·K) (рис. 6). Данный материал, также как и NASBIS, характеризуется повышенной гибкостью. Его можно без особых проблем формовать, сгибать и нарезать, что крайне важно для портативных устройств с плотным расположением компонентов и недостатком свободного пространства.

Рис. 7. Характеристики листов PGS

Что же дает комбинация из PGS и NASBIS? Варианты их совместного использования достаточно очевидны (рис. 8). Если требуется обеспечить простую теплоизоляцию чувствительных компонентов, то будет достаточно листа NASBIS. Если требуется не только изолировать компоненты, но и отвести тепло от самого источника тепла, то подойдет композитный лист из PGS и NASBIS. Для двухсторонней изоляции и отвода тепла потребуется трехслойная конструкция прокладки, как показано на левой части рис. 8.

Рис. 8. Способы борьбы с перегревом

Основными областями применения для теплоизоляционных пленок NASBIS станут портативные устройства (ноутбуки, смартфоны, планшеты), медицинское оборудование, измерительная техника и т.д.

 Характеристики теплоизоляционной пленки EYGN0912QB6S:

• Тип: теплоизоляционная NASBIS-пленка с PGS-слоем, клеящим слоем и электроизоляционным покрытием;
• Толщина NASBIS-пленки: 100 мкм;
• Толщина PGS-пленки: 70 мкм;
• Полная толщина: 196 мкм;
• Теплопроводность NASBIS: 0,018…0,026 Вт/(м·K);
• Теплопроводность PGS: 700 Вт/(м·K);
• Диапазон рабочих температур: -20…100 °С
• Размеры стандартного листа: 90 x 115 мм.

Исходный материал:

• https://na.industrial.panasonic.com/whats-new/thermal-management-solution-nasbis                                                 
• https://na.industrial.panasonic.com/products/thermal-management/thermal-management/lineup/thermal-management-products/series/70473                                                                 
• https://industrial.panasonic.com/ww/pgs2/nasbis                                                                                                                                                                   
• https://b2b-api.panasonic.eu/file_stream/pids/fileversion/1720         

Номенклатура теплоизоляционных материалов NASBIS и PGS с параметрией представлена в каталоге

Производители: Panasonic

Разделы: Теплопроводящие подложки

Опубликовано: 29.10.2019