Почему применение графитовых листов приводит к охлаждению некоторых проектов более чем на 10°C? В то время как другие почти не показывают изменений?

В последние годы термин « теплопроводящий графитовый лист » становится все более распространенным в кругах электроники, источников питания и новой энергетики:

- Смартфоны и планшеты становятся тоньше, но выделяют больше тепла;

- Бортовые контроллеры и системы хранения энергии BMS имеют более высокую мощность, но их конструктивное пространство постоянно сжимается;

- Испытания на высокотемпературное старение плат и модулей питания часто достигают узкого места в диапазоне от 80°C до 90°C.

Многие инженеры слышали такие утверждения, как: «Приклейте графитовый лист с высокой теплопроводностью, и температура мгновенно упадет более чем на 10°C». Однако опыт реальных проектов сильно поляризован:

- Некоторые проекты: после установки графитовых листов пиковая температура значительно падает, и испытания на высокотемпературное старение проходят гладко;

- Другие проекты: даже при нанесении нескольких графитовых листов температура практически не меняется, что приводит к сомнениям типа: «Являются ли графитовые листы просто трюком?»

Почему такая огромная разница в эффективности при применении графитовых листов? Проблема заключается в самом материале или в его использовании?

I. Во-первых, поймите: что именно делают теплопроводящие графитовые листы?

Давайте разберем основную функцию в одном предложении:

Графитовые листы не являются «волшебными охлаждающими устройствами» — они просто создают более быстрый и длинный путь рассеивания тепла.

В типичной плате/модуле питания/встроенном контроллере общий путь передачи тепла следующий: Тепловыделяющие компоненты (чипы, МОП-транзисторы, микросхемы и т. д.) → Промежуточные теплопроводящие материалы (графитовые листы, термопрокладки, медные/алюминиевые детали и т. д.) → Металлический корпус/радиатор/холодная пластина → Воздух или другие источники холода.

Ценность теплопроводных графитовых листов заключается в основном в двух аспектах:

1. Исключительная теплопроводность в плоскости.

Сегодня распространенные листы искусственного графита имеют плоскостную теплопроводность в диапазоне от нескольких сотен до более 1000 Вт/м·К, а некоторые модели высокого класса достигают почти 2000 Вт/м·К в определенных условиях испытаний (это относится конкретно к планарным тепловым характеристикам, которые варьируются в зависимости от продукта). Это означает, что они могут быстро распространить локальные горячие точки на большую территорию.

2. Тонкий, легкий, высекаемый, легко крепится.

Имея толщину всего в десятки микрометров или даже меньше, они могут помещаться между компонентами и корпусами или между задней частью плат и металлическими деталями, почти не занимая места и незначительно добавляя вес.

Проще говоря:

Стружка небольшая, поэтому тепло легко концентрируется; Листы графита тонкие, и их можно сделать большими, что помогает распределять тепло по более широкой площади для более эффективного рассеивания через большие охлаждающие поверхности.

Однако это основано на одной важной предпосылке:

«Тепловой путь», который вы создаете с помощью графитового листа, не должен иметь препятствий.

II. Почему в некоторых проектах наблюдается значительное охлаждение, а в других нет?

Эффективность графитовых листов зависит от четырех ключевых факторов: материала, пути, контакта и границы (сокращенно «Цай, Лу, Цзе, Бянь» на китайском языке).

1. «Материал»: выбор определяет верхний предел с самого начала.

Распространенное заблуждение в отрасли возникает из-за фразы: «Все графитовые листы одинаковы — просто купите дешевый и протестируйте». В действительности графитовые листы разных производителей сильно различаются:

- Плоскостная теплопроводность: от нескольких сотен Вт/м·К до более 1000 Вт/м·К или выше;

- Толщина: От 0,1–0,2 мм до десятков микрометров;

- Также различаются гибкость, наличие изоляционного слоя и самоклеящейся основы.

Если в проекте есть:

- Высокая мощность,

- Высокая плотность теплового потока,

- Плотное структурное пространство,

но если используется графитовый лист со средней теплопроводностью и чрезмерной толщиной, его охлаждающий эффект неизбежно будет ограничен.

И наоборот, если во время оценки схемы вы выберете графитовый лист с более высокой плоскостной теплопроводностью, меньшей толщиной и лучшим соответствием с учетом ограничений по мощности и пространству, один и тот же «одиночный лист» может дать совершенно разные результаты.

Первая самопроверка: Какова теплопроводность и толщина графитового листа, который я использую? Соответствует ли он требованиям к мощности и пространству моего проекта?

2. «Путь»: тепловой путь должен соединять «горячие точки» с «охлаждающими поверхностями».

Вторая распространенная проблема — непрерывный тепловой путь. Типичный сценарий: инженеры прикрепляют графитовые листы непосредственно над чипами или покрывают небольшую площадь платы, но листы не доходят до контакта с металлическим корпусом/радиатором/холодной пластиной.

При таком использовании просто создается «сэндвич-слой» над горячей точкой — тепло остается локальным и не может покинуть небольшую площадь, что приводит к почти полному видимому падению температуры.

Напротив, эффективные конструкции обычно:

Растяните графитовые листы от горячей точки до более холодного металлического компонента большей площади;

Обеспечить непрерывный путь покрытия без «перерывов»;

Не прикрепляйте устройство только к «удобным, но не охлаждающим» местам.

Вторая самопроверка: закрывает ли мой графитовый лист горячую точку и действительно ли он «соединяется» с охлаждающей поверхностью? Или он прилагается только там, где его легко применить?

3. «Контакт»: качество облигаций определяет успех или неудачу

Теплопередача не терпит «зазоров». Даже если графитовый лист имеет отличную теплопроводность:

Если поверхности компонентов, плат или корпусов неровные;

Если графитовый лист подвешен, вздут или искривлен по краям;

Если сила сжатия недостаточна или допуски сборки плохо контролируются,

термическое сопротивление интерфейса будет чрезвычайно высоким, и преимущества графитового листа будут в значительной степени сведены на нет.

Типичный «случай отказа»:

Образцы, отпечатанные вручную, хорошо работают при прототипировании;

В массовом производстве отклонения в методах склеивания, давлении или расположении приводят к резко отличающимся результатам температурных испытаний по сравнению с прототипами.

Третья самопроверка: действительно ли графитовый лист «плотно» между компонентом и корпусом или просто «приклеился и кажется прикрепленным»?

4. «Граница»: кто в конечном итоге перенимает тепло от графитового листа?

Последнее звено – граничные условия. Графитовые листы рассеивают тепло с небольших участков, но в конечном итоге тепло должно рассеиваться за счет:

Металлические корпуса большой площади, металлические каркасы, радиаторы, охлаждающие пластины и т. д.;

Помещения с хорошим принудительным воздушным охлаждением или естественной конвекцией.

Если тепло в конечном итоге передается:

Плохо проводящая часть конструкции, которая сама выделяет тепло;

Небольшой пластиковый компонент;

Внутреннее пространство почти без воздушного потока,

Результат будет таким: «Тепло немного распространяется, но в целом окружающая среда слишком горячая — заметного падения температуры почти нет».

Четвертая самопроверка: Соединяется ли конец графитового листа с «надежной охлаждающей поверхностью»?

III. Список для самопроверки для инженеров

Если у вас есть проект, в котором «графитовые листы применены, но эффекта нет», выполните следующие четыре шага:

Марка материала

Соответствует ли теплопроводность и толщина графитового листа ограничениям по мощности и пространству проекта?

Конструкция теплового пути

Графитовый лист соединяет горячую точку с металлическим корпусом/радиатором без «разрывов»?

Качество облигаций

Правильно ли спроектирована плоскостность поверхности компонентов/корпусов и компрессионной конструкции? Есть ли какие-либо подвески, деформации или отклонения в положении после склеивания?

Граничные условия

Позволяют ли поток воздуха и температура корпуса внутри устройства по-настоящему «остыть» помещение? Является ли окончательное соединение с металлической охлаждающей поверхностью или с «перегруженной» деталью?

В большинстве случаев графитовые листы не являются «бесполезными» — один или два из этих четырех шагов обычно не выполняются должным образом.

IV. Зачем привлекать поставщиков «с самого начала» к некоторым проектам?

Вышеизложенное охватывает общие принципы. Для практической реализации многие компании теперь предпочитают привлекать поставщиков материалов и решений на ранних стадиях проектов, а не тестировать материалы по отдельности.

Возьмем типичный отраслевой пример: Jiangxi Dasen Technology Co., Ltd. (DSN).

Он предлагает три ключевые возможности:

Ассортимент материалов включает различные марки теплопроводных графитовых листов.

Для бытовой электроники, источников питания, новой энергетики и других сценариев компания предлагает графитовые листы с различной теплопроводностью, толщиной и гибкостью. Для проектов с различной мощностью, пространством и ценовой чувствительностью он балансирует «достаточность» и «высокую производительность» вместо универсального подхода.

Поддержка решений для совместной оптимизации «тепловых путей». Многие инженеры сообщают, что общение с такими поставщиками предполагает нечто большее, чем просто указание параметров — они сотрудничают, чтобы обсудить:

Местоположение источника тепла и примерная мощность;

Доступные металлические компоненты/корпуса;

Подходящие и непригодные места для нанесения графитовых листов;

Необходимость в клеевых/изоляционных слоях и оптимальных структурах ламинирования.

Это учитывает четыре ключевых фактора («Материал, Путь, Контакт, Граница»), упомянутых ранее, а команда, имеющая опыт работы с графитовыми листами и управлением температурным режимом, помогает заранее выявить потенциальные проблемы.

Массовое производство от малых до крупных партий

Согласно общедоступной информации, ежемесячная производственная мощность DSN только по производству искусственного графита достигает примерно 700 000 квадратных метров и имеет многочисленные сертификаты системы менеджмента качества и экологического менеджмента. Это означает:

Он может удовлетворить как проверку небольших партий, так и потребности крупномасштабного массового производства в зависимости от масштаба проекта;

Компания имеет богатый опыт в области точности размеров, допусков, производительности и сроков выполнения заказов.

V. Сделать графитовые листы «по-настоящему полезными»

Возвращаясь к первоначальному вопросу: почему применение графитовых листов приводит к охлаждению некоторых проектов более чем на 10°C, в то время как в других изменения почти не наблюдаются?

Ответ можно сформулировать в одном предложении:

Выберите правильный материал, обеспечьте беспрепятственный путь тепла, обеспечьте плотный контакт и соединитесь с надежной охлаждающей поверхностью.

Если эти четыре шага будут выполнены должным образом, теплопроводящие графитовые листы могут эффективно снизить температуру в мощных, компактных изделиях, решая такие проблемы, как «неудачные испытания на высокотемпературное старение» и «чрезмерно высокие пиковые температуры».

Если у вас сейчас есть проект, включающий:

Платы, блоки питания, бортовая электроника или накопители энергии BMS;

Мощность от умеренной до высокой с температурой горячих точек в диапазоне 80–100°C;

Ограниченное пространство, без каких-либо непосредственных планов по модификации форм или реструктуризации;

Подумайте: во-первых, соберите такие детали, как характеристики мощности, структурные схемы и допустимые диапазоны толщины.

Затем проконсультируйтесь с таким поставщиком, как Jiangxi Dasen, который предлагает как теплопроводящие графитовые листы, так и техническую поддержку по управлению температурным режимом.

Более оптимизированное решение в виде графитового листа может открыть дополнительный «тепловой путь» для вашего проекта.