МАТЕРИАЛ ТЕПЛОВОГО ИНТЕРФЕЙСА
THERMAL INTERFACE MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к области материалов теплового интерфейса для терморегулирования теплогенерирующих компонентов, а конкретнее - к материалу теплового интерфейса в соответствии с преамбулой независимого пункта формулы изобретения.
Предпосылки создания изобретения
Материалы теплового интерфейса (Thermal Interface Materials - TIM) представляют собой теплопроводные материалы, как правило предназначенные для действия в качестве теплового интерфейса между теплогенерирующим компонентом, например электрическим компонентом, и теплопроводящим элементом, например радиатором или теплоотводом, и для заполнения любых пустот или неровностей, которые могут существовать в сопрягаемых поверхностях теплогенерирующего компонента и теплопроводящего элемента. Последнее увеличивает площадь контакта между теплогенерирующим компонентом и радиатором, тем самым эффективно снижая тепловое полное сопротивление между ними и обеспечивая эффективный теплоперенос. Чтобы быть эффективными, TIM предпочтительно имеют очень низкое объемное удельное тепловое сопротивление и вязкость, достаточно низкую, чтобы они могли течь от точек контакта по направлению к любым пустотам, которые могут существовать между сопрягаемыми поверхностями. TIM должен также оставаться на месте, как только он притечет, и должен оставаться эластичным во время изменений температуры. Если вязкость слишком низкая, TIM может вытекать из промежутков между сопрягаемыми поверхностями, оставляя пустоты и приводя к повышенному тепловому полному сопротивлению.
В продаже имеется ряд используемых TIM, таких как термопаста или консистентная термосмазка, материалы с изменяемым фазовым состоянием, мягкие термопрокладки и т.д. Самая важная функция TIM состоит в том, чтобы гарантировать максимизированный физический контакт между двумя граничными поверхностями, т.е. сопрягаемыми поверхностями теплогенерирующего компонента и теплопроводящего элемента. Только при выполнении этой функции играет свою роль объемная проводимость TIM. Без надлежащего физического контакта с обеими граничными поверхностями объемная проводимость оказывает незначительное влияние на тепловое сопротивление. Именно по этой причине термопаста или консистентная термосмазка обычно является термически наилучшим исполнительным средством, несмотря на свою (в общем случае) относительно низкую объемную проводимость: структура пасты такова, что она обладает исключительно хорошей смачивающей способностью и поэтому устанавливает максимальный физический контакт между граничными поверхностями. Для демонстрации аналогичного поведения созданы материалы с изменяемым фазовым состоянием (PCM). Обеспечению максимального физического контакта уделяется большое внимание и при разработке материалов мягких термопрокладок. Основной движущий фактор использования термогелей и заполнителей зазоров также основан на максимальном физическом контакте с обеими граничными поверхностями. Для всех этих TIM существует определенная зависимость давления контакта от тепловых характеристик граничной поверхности, которая является наибольшей для материалов мягких термопрокладок: чем выше давление, тем лучше физический контакт (больше суммарная площадь контакта). И, наконец, существуют также термоклеи, которые решают вышеупомянутые вопросы, но сами тоже имеют конкретные недостатки, как будет описано в нижеследующем абзаце.
Поскольку для гарантии физического контакта, а значит и оптимальных тепловых характеристик, TIM обычно требует минимального давления контакта, это усложняет разработки систем в том смысле, что система должна гарантировать такое минимальное давление на протяжении срока службы. Вышеупомянутое требование к давлению контакта для достижения оптимальных тепловых характеристик имеет ряд недостатков. Прежде всего, система, в которой используется TIM, должна быть тщательно продумана в контексте задаваемого или требуемого минимального давления контакта между граничными поверхностями, на которых удерживается TIM. Конструктивными особенностями, которые позволяют воплотить давление контакта, могут быть винты, зажимы, и т.д., что увеличивает стоимость системы. Кроме того, установление заранее определенного давления на поверхностях TIM затруднено, особенно при использовании пластичных компонентов или компонентов, имеющих определенный допуск. Давление, прикладываемое извне, следует прикладывать аккуратно. Слишком большая геометрическая неравномерность в прикладываемом давлении может заставлять граничные поверхности изменять форму (например, коробиться, искривляться и т.д.). При этом возникает обычный риск того, что физический контакт между TIM и обеими граничными поверхностями (частично) утрачивается, поэтому такое приложенное давление контакта нейтрализует тепловые характеристики, поскольку установление физического контакта является самой важной функцией TIM, как пояснялось выше. Кроме того, само давление контакта может вызывать «выдавливание» TIM в условиях циклических температурных воздействий за счет включения и выключения (обычной эксплуатации) устройства. Этот эффект наблюдался много раз, особенно в случае термопаст и РСМ, в котором TIM последовательно загрязняет другие критические части системы. Помимо этого, следует тщательно выбирать толщину и твердость TIM в связи со свойствами или характеристиками обеих граничных поверхностей, такими как шероховатость и кривизна. Это значит, что выбранные TIM должны быть способными превосходить заданные свойства поверхностей. Наконец, все эти проблемы обычно преодолеваются термоклеем. Однако клей сам имеет огромный недостаток, внося риски трещинообразования и отслаивания в условиях циклических температурных воздействий, обуславливаемые (зачастую - присущими ему) несоответствиями коэффициентов теплового расширения (СТЕ), особенно на протяжении больших площадей поверхностей. Кроме того, для клея всегда требуется процесс отверждения некоторого типа, который усложняет процесс сборки и значительно повышает издержки производства.
Сущность изобретения
Ввиду вышеизложенного, задача изобретения состоит в том, чтобы разработать альтернативный и усовершенствованный материал теплового интерфейса (TIM) и применение теплового интерфейса на основе TIM, а также в том, чтобы по меньшей мере частично смягчить проблемы, рассмотренные выше. Эта цель достигается посредством TIM в соответствии с данным изобретением, охарактеризованным в п. 1 формулы изобретения.
Таким образом, в соответствии с аспектом данного изобретения, предложен материал теплового интерфейса, TIM, содержащий: слой TIM, который содержит активируемый усадочный материал. Усадочный материал распределен в слое TIM так, что при активации этого усадочного материала толщина слоя TIM увеличивается, и это преимущественно обеспечивает усовершенствованный материал, TIM, в котором физические размеры являются по меньшей мере частично управляемыми. Поскольку слой TIM имеет в направлениях «x» и «y» протяженность, которая является гораздо большей, чем в направлении «z», поведение усадки усадочного материала, представляющего собой, например, волокна теплопоглощающего материала, распределенного по случайному закону в слое TIM, оказывает доминирующее воздействие в направлениях «x» и «y» благодаря относительно малому размеру в направлении «z» нанесения TIM. Одинаковая усадка во всех направлениях даст в направлениях «x» и «y» наибольшие размеры, т.е. наибольшее относительное смещение материала, тем самым вытягивая материал из матрицы TIM на этом пути, что приводит к увеличению размера TIM в направлении «z». Для обеспечения эффективного увеличения толщины TIM усадка TIM в направлениях «x» и «y» предпочтительно должна быть в 5-10 раз больше, чем в направлении «z».
Увеличение высоты после активации усадочного материала можно с выгодой использовать в тепловом интерфейсе. Так, TIM в соответствии с данным изобретением наносят между теплогенерирующим компонентом и теплопроводящим элементом, например светоизлучающим диодом, СИДом на печатной плате и радиатором или теплоотводом. Активация усадочного материала TIM, осуществляемая затем, например, посредством тепла из самого СИДа или посредством внешнего источника тепла, вызывает наращивание высоты TIM. После этого, посредством запрета разделения в направлении «z» между СИДом и радиатором, результирующее ограниченное пространство в направлении «z» для TIM, т.е. расширение TIM в направлении «z», увеличивает давление контакта, а значит и физический контакт с обеими пограничными поверхностями СИДа и радиатора. Следовательно, посредством этого устраняется существующая в известных технических решениях потребность в иных путях обеспечения на протяжении срока службы минимального прикладываемого извне давления контакта между СИДом и радиатором или теплоотводом, например, посредством зажатия с целью гарантии минимального давления контакта на протяжении срока службы. Это значительно смягчает требования к конструкции системы в контексте давления контакта и потенциально обеспечивает огромное снижение расходов и по «спецификации материалов» (СМ), и на сборку системы, поскольку теперь надо лишь сохранять обе пограничные поверхности на своих местах, а TIM сам «позаботится» о физическом контакте.
Кроме того, тепловой интерфейс в соответствии с данным изобретением также преимущественно корректирует любые свойства кривизны и шероховатости поверхности, поэтому будет гораздо устойчивее к внешним воздействиям при использовании, чем другие TIM, имеющиеся сегодня на рынке. Следовательно, TIM того типа, который предложен согласно данному изобретению, обладает потенциалом замены весьма значительного количества TIM, используемых сегодня в любой системе, любом устройстве или любой отрасли промышленности.
В соответствии с вариантом выполнения TIM усадочный материал предусмотрен заранее в определенном ориентированном направлении в пределах TIM. Ориентированное направление может быть выбрано как одно из единственного направления, нескольких направлений, радиального направления, сетки и т.д. Усадочный материал может дополнительно содержать ориентированные волокна или случайным образом ориентированные волокна в пределах некоторой выбранной плоскости и т.д. Ориентацию усадочного материала предпочтительно выбирают так, чтобы дополнительно облегчить увеличение толщины слоя TIM и облегчить достижение эффекта улучшенного поверхностного контакта в месте, где наиболее необходима диссипация тепла.
В соответствии с вариантом выполнения TIM ориентированное направление выбирают в пределах плоскости «ху» слоя TIM, что эффективно для дальнейшего увеличения усадки в направлениях «х» и «у» слоя TIM, а значит и для увеличения общей толщины TIM.
В соответствии с вариантом выполнения TIM слой TIM представляет собой многослойный TIM, содержащий чередующиеся субслои TIM и слои усадочного материала. Многослойный TIM выгоден, например, тем, что позволяет разным субслоям TIM иметь направленное сцепление или трение по меньшей мере с одним слоем усадочного материала, что заставляет субслои TIM эффективно адаптироваться к усадочному материалу, когда его активируют, т.е. возвращать материал к размерам «x» и «y». Многослойный TIM можно производить, например, посредством наслаивания разных слоев, которое обеспечивает простой и дешевый способ сборки двух разных материалов воедино для формирования одного листового материала.
В соответствии с вариантом выполнения TIM усадочный материал содержит мономеры, а активация усадочного материала вызывает полимеризацию мономеров. Поскольку мономеры сцепляются друг с другом во время полимеризации, плотность усадочного материала увеличивается, что вызывает сокращение объема усадочного материала. Смешивая мономеры и предлагаемый материал TIM перед полимеризацией и выбирая мономеры, которые образуют полимерные системы с поперечными межмолекулярными связями (сшитые системы), можно с выгодой обеспечить проходные каналы для предлагаемого материала TIM, достаточные для того, чтобы направлять тепло через TIM (в отличие от случая применения слоистого термоусадочного материала, который может вызывать закупоривание теплового пути замкнутой или незамкнутой поверхностью со свойствами меньшей теплопроводности). Кроме того, использование укладки мономеров и/или полимеров допускает способы активации, предусматривающие не нагрев, а, например, ультрафиолетовое облучение или другие химические реакции.
В соответствии с вариантом выполнения TIM усадочный материал представляет собой расширенную полимерную матрицу, а активация усадочного материала вызывает релаксацию расширенной полимерной матрицы обратно в нерасширенное состояние. Следовательно, усадка усадочного материала в данном случае основана на расширении. Это применимо для случая, в котором полимерная матрица может быть приготовлена заранее и опционально расширена в процессе, инициируемом извне перед введением ее в слой TIM, или в качестве части многослойного TIM перед применением ее между субслоями TIM. Кроме того, это позволит резать и/или формовать термоусадочный материал с приданием конкретных форм для оказания влияния на возможные поведения усадки в направлениях усадки и прочность по сравнению с предлагаемым материалом TIM. Резание и/или формование термоусадочного материала может включать в себя вырубное штампование и/или перфорирование с получением повторяющихся или ориентированных рисунков фольги термоусадочного материала.
В соответствии с третьим аспектом изобретения предложен способ обеспечения материала теплового интерфейса, TIM, заключающийся в том, что: обеспечивают слой TIM, обеспечивают в слое TIM активируемый усадочный материал, опционально ориентируют усадочный материал в ориентированном направлении, при этом после активации усадочного материала толщина слоя TIM увеличивается.
В соответствии с вариантом выполнения способа усадочный материал представляет собой материал на основе мономеров, при этом активация усадочного материала вызывает полимеризацию этих мономеров.
В соответствии с вариантами выполнения TIM, теплового интерфейса и соответствующих способов их получения, усадочный материал предпочтительно является активируемым при нагревании. Это выгодно тем, что для обеспечения активации усадочного материала можно использовать сам теплогенерирующий компонент. Кроме того, есть ряд поставляемых промышленностью усадочных материалов, активируемых при нагревании, свойства которых убедительно подтверждены документальными доказательствами и которые пригодны для использования в TIM.
В соответствии с вариантом осуществления способа усадочный материал представляет собой полимерную матрицу, при этом этап ориентации усадочного материала заключается в том, что:
(опционально нагревают полимерную матрицу), механически растягивают полимерную матрицу в направлении, соответствующем плоскости «ху» слоя TIM, и после этого блокируют (например, путем быстрого охлаждения) растянутую полимерную матрицу, тем самым обеспечивая расширенную полимерную матрицу.
В соответствии с вариантом осуществления способа этапы обеспечения слоя TIM и обеспечения активируемого усадочного материала в слое TIM дополнительно включают в себя обеспечение многослойного TIM посредством чередующейся укладки стопой по меньшей мере одного субслоя TIM и по меньшей мере одного слоя усадочного материала.
Кроме того, как упоминалось прежде и в соответствии с четвертым аспектом изобретения, предложен тепловой интерфейс, получаемый посредством обеспечения TIM в соответствии с изобретением и дальнейшего расположения TIM между теплогенерирующим компонентом и теплопроводящей подложкой. Расстояние между теплогенерирующим компонентом и теплопроводящей подложкой ограничено. Способ обеспечения теплового интерфейса может дополнительно включать в себя активацию термоусадочного материала, например, посредством нагревания TIM или некоторую другую активацию, которая применима для конкретного усадочного материала, используемого в TIM.
Другие задачи, признаки и преимущества станут очевидными из нижеследующего подробного изложения, из прилагаемых зависимых пунктов формулы изобретения, а также из чертежей.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества данного изобретения станут более понятными из нижеследующего иллюстративного, но не ограничительного, подробного описания предпочтительных вариантов осуществления данного изобретения, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, где одинаковые позиции будут использоваться для сходных элементов, при этом:
на фиг. 1а) представлен схематический перспективный вид сбоку куска материала теплового интерфейса, TIM, в соответствии с данным изобретением перед активацией, а фиг. 1b) иллюстрирует тот же TIM, который показан на фиг. 1a), когда он активирован;
на фиг. 2a)-g) представлены схематические иллюстрации направлений и рисунков ориентации усадочного материала в TIM в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;
на фиг. 3a)-g) представлены схематические иллюстрации другого многослойного TIM в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения; и
на фиг. 4a)-c) представлены схематические сечения теплового интерфейса в электрическом узле в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения, когда этот интерфейс расположен между теплогенерирующим компонентом и радиатором или теплоотводом.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Теперь будут описаны возможные варианты выполнения материала теплового интерфейса, TIM, и применения соответствующего ему теплового интерфейса, способы изготовления такого TIM и теплового интерфейса.
Этапы способов описываются как непрерывная последовательность, однако некоторые из этапов могут выполняться в другом порядке или они могут чередоваться с несколькими дополнительными технологическими этапами.
1
2
Обращаясь теперь к фиг. 1a), где иллюстрируется вариант выполнения TIM 100 в соответствии с данным изобретением, TIM 100 содержит слой 105 TIM, т.е. по существу плоскую структуру материала, как с верхней поверхностью 101, так и с нижней поверхностью 102, имеющий толщину d в направлении «z», которая мала по сравнению с протяженностью физических размеров слоя в плоскости «xy». В пределах слоя 105 TIM распределен усадочный материал 110. Усадочный материал 110 в этом возможном варианте осуществления представляет собой усадочные волокна термочувствительного полимера, введенные в слой 105 предлагаемого материала TIM во время его производства. Слой 105 TIM можно формировать в процессе формования. Волокна в данном случае смешаны случайным образом в материале 100 слоя TIM. В альтернативном варианте осуществления волокна термоусадочного материала 110 заранее расположены в форме сетки и впрессованы в эластичное вещество слоя 105 TIM, оказываясь полностью заключенными в TIM 100. На фиг. 1b) изображен TIM 100 после активации усадочных волокон термочувствительного полимера усадочного материала 110. Когда TIM 100, показанный на фиг. 1a), подвергается нагреванию, усадочные волокна реагируют на нагревание, укорачиваясь и оттягивая слой предлагаемого материала TIM от границ слоя 105 TIM внутрь. Поведение усадки волокон имеет доминирующее влияние в направлениях «x» и «y» благодаря относительно малому размеру TIM в направлении «z». Этот механизм увеличивает высоту активированного TIM 100' так, что для TIM 100', активированного при нагревании, получается новая высота d.
Усадочный материал можно вводить в слой TIM в виде волокон усадочного материала, мономеров, полимерных композиций или даже незакрепленных слоистых структур, как будет описано ниже.
Чтобы оптимизировать влияние усадочного материала в слое TIM и облегчить увеличение высоты в слое TIM, усадочный материал в предпочтительных вариантах осуществления располагают в заранее определенной ориентации в пределах слоя TIM. В целом, предпочтительным является любое направление ориентации, за исключением направления толщины (направления «z») TIM.
На фиг. 2a)-2g) изображены некоторые предпочтительные ориентации усадочного материала 210a-e′′ в пределах плоскости «ху» TIM: на фиг. 2a) показан усадочный материал 210a, ориентированный в единственном направлении n, на фиг. 2b) показан усадочный материал 210b в радиальной ориентации, на фиг. 2c) показан усадочный материал 210c в окружной ориентации, на фиг. 2d) показан усадочный материал 210d в структуре сетки поперечных межмолекулярных связей (сшитой сетки), на фиг. 2e) показан усадочный материал 210e, содержащий случайным образом ориентированные длинные и короткие волокна и/или полимеры, на фиг. 2f) показан усадочный материал 210f структуры слоев полимера с сетчатой структурой, а на фиг. 2g) показано, как обеспечивают усадочный материал в форме расширенной полимерной матрицы, в данном случае - сформированной путем использования разрезаемой усадочной фольги 210e', которая растянута для образования расширенной усадочной фольги 210e′′. Подход, предусматривающий применение расширенной полимерной матрицы, будет отдельно рассмотрен ниже.
В соответствии с идеей изобретения можно воспользоваться и другими механизмами для обеспечения усадочного материала. Во-первых, если усадочный материал содержит, например, многие мономеры, то при активации усадочного материала упомянутые мономеры полимеризуются. Это увеличивает плотность материала, поскольку мономеры оказываются сцепленными друг с другом, занимая вследствие этого меньше пространства. Соответственно, объем термоусадочного материала сокращается, что приводит к увеличению высоты TIM.
Такое сокращение также может быть основано на расширении. В соответствии с вариантом осуществления (не показан), сам предлагаемый материал TIM выполнен с возможностью обеспечения усадочного материала. Этот процесс предусматривает обычное производство TIM с последующим нагреванием для создания возможности растяжения TIM, а затем механическое растяжение TIM. В заключение, в этом расширенном состоянии TIM быстро охлаждают. Затем, при нагревании, т.е. активации, полимеры в пределах TIM релаксируют обратно, приобретая размеры, характерные в нерасширенном состоянии, при этом TIM сохраняет свой первоначальный объем с эффектом расширения в результате. В соответствии с вариантами осуществления, которые предусматривают использование расширенной полимерной матрицы, расширенную полимерную матрицу подготавливают как слой в пределах TIM, что поясняется ниже, а TIM последовательно нагревают, растягивают и быстро охлаждают. Опционально, расширенную полимерную матрицу подготавливают, нагревают и быстро охлаждают перед введением в слой TIM. Опционально, термоусадочный материал растягивают при комнатной температуре и механически блокируют, например, путем наслаивания растянутого термоусадочного материала на слой TIM для сохранения его расширения до тех пор, пока не потребуется его активация.
Обращаясь теперь к фиг. 3, как упоминалось ранее, идея данного изобретения раскрывает многослойный TIM. В целом, термин «многослойный TIM» в соответствии с данным изобретением обозначает TIM, сформированный путем чередующейся укладки стопой по меньшей мере одного слоя усадочного материала и по меньшей мере одного субслоя TIM, причем последний представляет собой, например, мягкую термопрокладку. На фиг. 3a)-3d) изображены TIM 310 и 311, содержащие один слой 301 усадочного материала, расположенный вместе с одним субслоем 302 TIM или двумя субслоями 302, 303 TIM.
На фиг. 3a) усадочный материал 301 показан наслоенным между субслоями 302, 303 TIM, позволяя им обоим иметь непосредственный контакт (сцепление) с усадочным слоем. На фиг. 3b) многослойный TIM 311 показан содержащим один субслой 302 TIM, на который наложен усадочный слой 301. Усадочный слой 301 может быть скомпонован как сетка. Двухслойный TIM применим, например, для упрощенных сборок и когда для использования в качестве теплового интерфейса применяются или желательны более тонкие материалы. Это выгодно с точки зрения экономической перспективы. Слой усадочного материала может также предусматривать расположения в TIM, отличающиеся от проиллюстрированных здесь применительно к двухслойному TIM: расположение в виде открытой структуры, как изображено на фиг. 3c) и фиг. 3g), или закрытой структуры, как изображено на фиг. 3d). При открытой структуре, как изображено подробнее для TIM 313 на фиг. 3g), усадочный материал расположен так, что усадочная структура 314, которая может быть сеткой, ориентированными волокнами, расширенной полимерной матрицей и т.д., имеет отверстия 315, расположенные в плоскости «ху» TIM 313, для облегчения диссипации тепла через TIM 313 в направлении «z». Обращаясь снова к фиг. 3d), для закрытой структуры термоусадочный материал 301' по существу равномерно распределен по существу по всей плоскости «xy» TIM 311'. Термоусадочный материал 301' в данном случае представляет собой тонкую растянутую усадочную фольгу, при этом толщину фольги предпочтительно выбирают так, чтобы не создавать большую закупорку на пути тепла.
Как изображено на фиг. 3e), TIM в вариантах осуществления может содержать несколько слоев усадочного материала. В данном случае два слоя 305 и 307 усадочного материала уложены стопой между тремя субслоями 309, 306, и 308 TIM. Усадочный материал предпочтительно ориентирован в пределах каждого слоя усадочного материала. Для разных слоев применимы разные ориентации, как изображено на фиг. 3f). Здесь схематически показано, как слой 305 усадочного материала и слой 306 усадочного материала - оба - ориентированы в двух разных направлениях в плоскости «ху». Опционально, для разных усадочных слоев и/или разных слоев TIM выбирают разные материалы, в зависимости от конкретного приложения TIM.
На фиг. 4 изображено применение теплового интерфейса, где используется TIM 400 в соответствии с идеей данного изобретения. Чтобы обеспечить тепловой интерфейс, сначала располагают еще не активированный TIM 400 между теплогенерирующим компонентом 20, который содержит СИДы 21, расположенные на печатной плате, ПП, 22 и радиатором или теплоотводом 30. Для определения положения теплогенерирующего компонента 20 на радиаторе 30 и для ограничения максимального интервала h между теплогенерирующим компонентом 20 и радиатором 30 используется крепежное средство 25, в данном случае винт или штырь, монтируемый методом прессовой посадки или расклепываемый. TIM 400 размещают с увеличенной границей между ПП 22 и радиатором 30. При первом использовании СИДов 21, TIM 400 подвергается воздействию тепла, проходящего через ПП 22, а усадочный материал в TIM 400 активируется. Как описано ранее, активация усадочного материала обуславливает увеличенную толщину TIM, которая в данном случае - благодаря ограниченному расстоянию h между теплогенерирующим компонентом 20 и теплопроводящим элементом, т.е. в данном случае радиатором 30, - в свою очередь увеличивает соответствующие поверхностные давления первой и второй поверхностей (101 и 102, см. фиг. 1) TIM на теплогенерирующий компонент 20 и радиатор 30. Механизм усадки увеличивает объем TIM в термореактивной области, что приводит к расширению TIM (в направлении «z») при поддержании необходимой плотности предлагаемого материала TIM для эффективной диссипации тепла. Вследствие этого увеличенное давление поверхности TIM на нагретую поверхность контакта повышает рабочие характеристики TIM.
В соответствии с вариантом осуществления теплового интерфейса (как изображено на фиг. 4b), для обеспечения ограниченного максимального промежутка h между теплогенерирующим компонентом 20 и радиатором 30 используют несколько крепежных средств, в данном случае - два винта 25. Применимы также другие крепежные средства, например механическая структура 26 (как изображено на фиг. 4c).
В экспериментальной модели для демонстрации улучшенного поведения при термическом воздействии (не показано), обеспечиваемого идеей данного изобретения, вариант осуществления теплового интерфейса, аналогичного тепловому интерфейсу (изображенному на фиг. 4a), обеспечивали путем использования структуры TIM, аналогичного TIM (показанному на 3a), в качестве TIM 400. Используемый TIM содержит слой усадочного материала, являющегося промышленно поставляемым материалом усадочных трубок, который вскрывали, перфорировали и наслаивали между двумя слоями TIM, каждый из которых представляет собой мягкую термопрокладку GapPad 1450, имеющую объявленную толщину 20 мил, что составляет приблизительно 0,5 мм, (Bergquist). Мягкие термопрокладки заменяют путем удаления розового облицовочного слоя. TIM заключали между двумя алюминиевыми пластинами, которые были разделены промежутком с фиксированной разностью высот. По обе стороны TIM размещали термопары. Кроме того, поверх одной из алюминиевых пластин располагали мощный резистор. Эту сборку вместе с консистентной термосмазкой размещали на холодной пластине с фиксированной температурой (25°C). В эксперименте измеряли разность температур перед активацией (посредством внешнего источника тепла с температурой 120°C) усадочного материала TIM и после активации, отсюда выводили тепловое сопротивление, а из него выводили соотношение разностей температур перед активацией усадки и после этой активации, см. таблицу 1.
Таблица 1
Подвод мощности [Вт]
Разность температур [°C]
Тепловое сопротивление по TIM [К/Вт]
Соотношение разностей температур после и до активации усадки
3,654
9,9
2,71
До
10,26
25,5
2,49
До
3,654
8,6
2,35
После (87 %)
10,25
22,5
2,2
После (88 %)
Довольно приблизительный эксперимент, который был далек от оптимального применительно к предлагаемому материалу TIM, усадочному материалу, температурным условиям между верхней и нижней металлическими пластинами и т.д., показывает, что замысел данного изобретения обеспечивает достаточно улучшенный тепловой контакт для граничной поверхности между двумя сопрягаемыми поверхностями металлических пластин. Кроме того, после эксперимента образец разбирали, чтобы проверить состояние TIM, который продемонстрировал усадку в единственном направлении в плоскости «ху» (что и ожидалось, поскольку усадочная трубка была выполнена имеющей единственное направление усадки). Помимо этого, расслаивание TIM не наблюдалось.
Материалы для слоя или субслоев TIM и соответствующий ему усадочный материал, как говорилось выше, в типичном случае выбирали на основании конкретного приложения, в котором используется TIM. В принципе, в качестве материала слоя TIM применим любой подходящий материал мягких термопрокладок. В настоящее время существует большое количество промышленно поставляемых материалов мягких термопрокладок. Эти материалы в типичном случае представляют собой соединение силиконовых или акриловых носителей с так называемыми наполнителями. Силиконовые или акриловые носители облегчают хорошее смачивание сопрягаемых поверхностей. Наполнители в типичном случае представляют собой керамические или металлические частицы, предусматриваемые для обеспечения теплопроводности материала мягких термопрокладок. Ассортимент имеющихся в наличии материалов мягких термопрокладок очень широк.
В соответствии с еще одной идеей данного изобретения материал слоя или субслоев TIM в типичном случае выбирают так, чтобы он обеспечивал приемлемое механическое соединение с усадочным материалом, что важно для сохранения структурной целостности TIM в сборке после активации усадочного материала. Например, в качестве материала матрицы или субслоев TIM применимы материалы мягких термопрокладок, которые являются эластичными до некоторой степени. Примерами этих материалов мягких термопрокладок являются семейство Gap Pad (Bergquist Company), семейство Sil Pad (Bergquist Company), семейство T-Flex (Laird Technologies) и т.д.
В вариантах выполнения TIM в качестве материала матрицы или субслоев TIM предпочтительно выбирают более мягкий материал мягких термопрокладок, упрощающий деформацию TIM в процессе усадки (в направлениях «x» и «y») с одновременным расширением в перпендикулярном направлении («z»).
Термоусадочный материал, применимый для TIM, предлагаемого в данном изобретении, может содержать усадочные волокна термочувствительных полимеров, сравнимые с полимерами, применяемыми в усадочных трубках, например: политетрафторэтилен, ПТФЭ (фторполимер), фторэластомеры типа Viton, поливинидиденфоторид, ПВФ, фторированный этилен-пропилен, ФЭП, эластомерные материалы, кремнийорганический каучук, полиолефиновые трубки, поливинилхлорид (ПВХ), термоусадочную пленку из полиэтилена, усадочную ткань и другие (усадочная пленка также может быть сделана из ориентированного полистирола, ОПС, ориентированного полиэтилена, ОПЭ, ориентированного полипропилена, ОПП, и ориентированных сложных полиэфиров). Эти материалы поставляются промышленностью и в общем случае оказываются весьма подходящими для использования в системах терморегулирования. Они эластичны, способны к быстрой усадке и производятся в широком ассортименте цветов.
Опционально используют термоусадочные полимерные материалы, которые способны к образованию поперечных межмолекулярных связей (сшиванию) после нанесения и, опционально, после расположения в предпочтительной ориентации. В зависимости от материала формирование поперечных межмолекулярных связей (сшивание) можно осуществить посредством использования пучков электронов, пероксидов или влажности. Например, когда используют термоусадочный полиэтилен (сшитый полиэтилен низкой плотности), сшивание можно осуществлять посредством облучения электронами. Сшивание преимущественно увеличивает механическую целостность TIM, т.е. способствует поддержанию TIM своей формы как перед усадкой, так и после нее.
В возможных вариантах осуществления здесь и по всему тексту описания употребление термина «усадочный материал», как правило, относится к термоусадочным материалам, которые представляют собой усадочные полимерные материалы, в которых усадка активируется посредством нагревания. Усадка в полимерном материале изменяется не только с изменением используемого полимера, но и с введением различных добавок и наполнителей, которые смешаны с полимером. Кроме того, следует отметить, что, как должно быть очевидно специалисту в данной области, для воплощения замысла данного изобретения применимы усадочные материалы других типов с некоторым другим механизмом активации усадочного материала, например активации растворителем, активации по времени, активации излучением и ультразвуковой активации, и они находятся в рамках объема притязаний этой заявки.
Специалист в данной области техники поймет, что данное изобретение ни в коей мере не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Наоборот, в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения возможны многочисленные модификации и изменения.