Керамические термопрокладки из оксида алюминия для силовых радиокомпонентов или размышления о правильном термоинтерфейсе

Для чего в радиолюбительской практике применяются термопрокладки, объяснять читателям муськи, думаю, не нужно. А вот на том, зачем нужны заморочки с какой-то там керамикой, когда есть проверенные временем, широко распространенные, неубиваемые и при этом совсем дешевые «резинки», я, пожалуй, остановлюсь немного подробнее.

Термопрокладки из мягкого резиноподобного материала наподобие таких

действительно хороши практически всем: при их применении не требуется дополнительно наносить термопасту, они дешевы и продаются на каждом углу, их практически невозможно повредить при монтаже. Но есть и ложка дегтя — материал, из которого они изготовлены, обладает сравнительно невысокой теплопроводностью — порядка 1 Вт/(м*°С). А именно теплопроводность и важна при передаче тепла от радиодетали к радиатору. Для сравнения, у меди (из которой чаще всего изготовлены теплоотводящие основания полупроводниковых приборов) этот параметр составляет примерно 400 Вт/(м*°С), а у алюминия и его сплавов (из которых обычно сделаны радиаторы охлаждения) он находится в пределах 200-240 Вт/(м*°С). К чему это приводит на практике? Под спойлером я приведу простейшие расчеты, но для тех, кто совсем не любит математику, сразу готовый результат: термопрокладка из подобного материала с размерами 16х20х0,3 мм (соответствует транзистору в широко распространенном корпусе ТО-247) будет иметь термосопротивление 1 °С на Ватт.

Это означает, что при передаче каждого Ватта тепла от транзистора на радиатор, прокладка со стороны транзистора (следовательно, и сам транзистор) будет теплее, чем радиатор, на 1 градус. Это совершенно не является проблемой, если рассеиваемая транзистором (или другим полупроводниковым прибором) мощность мала, порядка единиц Ватт. Но, допустим, нам нужно рассеивать 50 Ватт тепла (что по меркам современных радиокомпонентов выглядит сущим пустяком). Пусть наш транзистор (для примера возьмем широкораспространенный TIP35C) имеет максимальную мощность, скажем, 125 Вт — запас более, чем двукратный. Также не поскупимся и возьмем достаточно большой радиатор охлаждения, чтобы при комнатной температуре он нагревался не выше 65°С (опять же, весьма скромно, не обожжешься; зато площадь его при естественном охлаждении должна быть порядка 1500 см² — почти монстр ради каких-то 50 Вт). Но при этом наш транзистор, за счет невысоких теплопроводящих свойств прокладки, будет на целых 50°С горячее, то есть 65+50=110°С. Казалось бы, это еще не предел. Но тут кроется одна важная деталь. Максимальная рассеиваемая транзистором мощность зависит от температуры корпуса, и обычно в даташитах приводится либо график, либо формула, по которой можно вычислить допустимую мощность при любой температуре корпуса. Называется этот параметр Power Derating. Для нашего TIP35C график из даташита выглядит так.

Видно, что при 110°С допустимая мощность упала до 40 Вт! От нашего двукратного запаса не только ничего не осталось, но, более того, при 50 Вт транзистор просто сгорит :(.

Что делать? Использовать радиатор охлаждения, обеспечивающий существенно более низкую температуру, весьма проблематично — дорого, громоздко и/или шумно. Ставить несколько транзисторов в параллель? Вполне реалистично. Но есть другой, менее затратный вариант — использовать термоинтерфейс с лучшими теплопроводящими свойствами.

Теория — это хорошо (не зря же Эйнштейну приписывают фразу «Нет ничего практичнее хорошей теории»), но еще лучше, когда удается проверить её на практике. Для этого и были куплены на AliExpress термопрокладки из оксида алюминия. Покупал давно, за свои деньги и для себя, поэтому фотографий упаковок не сохранилось. Пришли они в картонной коробке, внутри что-то мягкое и два «кирпичика» — стопочки высотой несколько см в упаковочной бумаге. Доехало все замечательно, ничего повредить наша Почта не смогла. Заказал на пробу два размера — 17х22х0,635 мм для корпусов ТО247 и 12х18х1 мм для корпусов ТО220. Оба варианта брал с отверстиями.

Цвет у прокладок снежно белый, размеры соответствуют заявленным.




Продавец их явно вручную не пересчитывает, а кладет стопку определенной высоты. Так как прокладки для ТО247 оказались чуть тоньше, их было на парочку больше. Визуально поверхность матовая, очень ровная. В стопку складываются идеально, немного «прилипая» друг к другу. Тактильно керамика как керамика — тяжелая, холодная, звонкая.

Брал я их на замену резинок под силовыми транзисторами в ЛБП. Установлены они были в количестве 3 штук вот на таком монструозном радиаторе.

Хотелось не столько облегчить режим транзисторов (как мне казалось, он там и так весьма щадящий), сколько поэкспериментировать. После замены одной прокладки под верхним транзистором (до этого все были Номакон), я включил блок и сделал снимок неким подобием тепловизора.


На каждом транзисторе рассеивалось около 15 Ватт, радиатор на ощупь был примерно как мои руки. Больше всего удивило, что транзисторы с Номаконовскими прокладками грелись так сильно при столь малой рассеиваемой мощности.

Тогда меня вполне удовлетворил результат, но где-то в уголках подсознания сохранилось желание исследовать вопрос более подробно, лучше с более-менее точными цифрами. И как только появилось свободное время — я решил этим заняться.

В качестве тепловыделяющего элемента был выбран транзистор NJW0281G в корпусе TO-3P. Во-первых, снаружи транзистора есть доступ к медному фланцу, поэтому вместо ненадежного и неточного имеющегося у меня подобия тепловизора можно использовать контактное измерение температуры непосредственно фланца с помощью термопары. Во-вторых, фланец имеет почти прямоугольную форму, и его площадь легко измерить.

Площадь фланца, по моим подсчетам, составила 210 мм², это за вычетом круглого отверстия.

Радиатор был взят точно такой же, как в ЛБП. Толщина основания 10 мм, а непосредственно под транзистором так вообще 50 мм.

Так как измерение температуры требует некоторого времени (десятки секунд), а измерять её одновременно в двух точках у меня нет возможности, то желательно обеспечить её постоянство. Радиатор же, при естественном охлаждении, будет постепенно разогреваться, что внесет дополнительные ошибки. Поэтому весь радиатор целиком был помещен в пластиковую емкость с водой (около двух литров).

Теплоемкость такой массы воды весьма велика, нагреть ее сколько-нибудь значительно при помощи 50 Вт тепла за время измерения совершенно нереально. Плюс теплообмен между радиатором и водой происходит намного эффективнее, чем с воздухом, так что сильно за нагрев радиатора можно не переживать.

Для начала (и в качестве отправной точки для дальнейших тестов) установил транзистор на радиатор без всяких прокладок на термопасту, которая осталась от сборки ПК, её заявленная теплопроводность аж 11,2 Вт/(м*°С).

На открытую часть фланца и на поверхность радиатора неподалеку нанес по капле термопасты, в этих точках будет измеряться температура.

Транзистор был подключен к лабораторному блока питания, ток эмиттера составлял примерно 2 Ампера, а напряжение коллектор-эмиттер примерно 25 Вольт и подбиралось так, чтобы рассеиваемая транзистором мощность составляла ровно 50 Вт. Фото приборов в процессе измерения.


Сначала подал питание на транзистор, выждал полминуты, провел измерение температуры радиатора, затем транзистора, затем снова радиатора. Соответствующий график на рисунке.

Видно, что температура радиатора все же постепенно растет, но разницу температур фланца и радиатора можно определить со вполне приемлемой точностью, она составляет 4°С. Частично свой вклад дает термопаста (если предположить, что толщина её слоя 0,1 мм, то это будет порядка 2°С, желающие могут произвести вычисления сами), частично — хоть и большая, но не бесконечная теплопроводность радиатора, его температура непосредственно под транзистором должна быть выше, чем в точке измерения. В любом случае, разность температур радиатора непосредственно под фланцем и в точке измерения не превышает 4°С, будем учитывать это в дальнейшем.


Переходим к первому подопытному, это эластичная прокладка фирмы Номакон, купленная в Чип и Дип аж за 17 рублей/штука.


Теплопроводность материала прокладки заявлена на уровне 1-2 Вт/(м*°С), толщина 0,22 мм.

После установки на радиатор подождал сутки, чтобы материал прокладки хорошо прилежался к радиатору и транзистору.

Теплопроводность прокладки (а точнее, той её части, которая находится точно под металлическим фланцем транзистора) в худшем случае должна составить 1,05 Вт/°С. Соответственно, ожидаемый перепад температур на прокладке не должен превышать 48°С плюс максимум те 4°С, о которых я писал выше. Измеряем, и видим следующее.

Вау, это фиаско! Вместо ожидаемых 50°С, максимум 55°С, разницы в температурах фланца и радиатора, мы получили целых 70°С! Разница в полтора раза! И я еще ориентировался на минимальное значение теплопроводности материала прокладки в 1 Вт/(м*°С), напомню, в спеках было указано от 1 до 2 Вт/(м*°С). В чем причина такого плачевного результата, я не знаю. Главное — такие прокладки абсолютно не годятся для рассеивания мощности в несколько десятков Ватт. Даже при температуре радиатора ниже комнатной (за счет холодной воды в миске) транзистор оказался на границе области безопасной работы :(.

И, наконец, переходим к испытаниям керамических прокладок. При их использовании обязательно нанесение термопасты с обеих сторон прокладки.
Теплопроводность оксида алюминия сильно зависит от степени очистки, на страничке товара заявлены следующие параметры:

Ceramic heat sink Specification
1, Material: 97 % alumina (AL 2O3) White
2, thermal conductivity: 29.3w/m.k

Расчетная теплопроводность нашей прокладки толщиной 0,63 мм будет 9,8 Вт/°С. Ожидаемый перепад температур 50 Вт / 9,8 Вт/°С = 5,1°С. Не забудем про два слоя термопасты и перепад температуры внутри радиатора, так что в идеале можно ожидать приблизительно 9-11°С разницы.

Приступаем. Моя термопаста очень густая, поэтому понемногу наношу её с одной стороны прокладки

аккуратно прижимаю прокладку к радиатору, наношу термопасту на вторую сторону

После этого монтируем транзистор.

Включаю питание, провожу измерения. Барабанная дробь :)

И снова невольно просится восклицание «Вау!» Только теперь повод ровно обратный — перепад температур 8°С, меньше ожидаемого. В качестве причины могу предположить следующее. За площадь прокладки при расчете её теплопроводности я взял площадь фланца, но реальные размеры прокладки больше, чем у фланца транзистора, она имеет относительно большую толщину и переносом тепла в поперечном направлении уже нельзя пренебречь. То есть эффективная площадь теплообмена несколько больше, чем площадь фланца транзистора. Художник из меня никакой, но попробовал схематично изобразить это на рисунке.

Впрочем, важно другое — 8°С перепада температуры против 70°С!!! Фактически, при той же самой стоимости детали. Выбор, как мне кажется, очевиден.

После измерений прокладку удалось снять в целости и сохранности, при затяжке винта она не лопнула. А вот отмыть ее до первоначального вида не удалось — цвет стал серый :).


Стоит заметить, что в продаже имеются и еще более производительные варианты из нитрида алюминия, теплопроводность которого в несколько раз выше, чем у оксида. Но они очень дороги и покупать их для себя я не стал.

Выводы.

Термопрокладки качественно изготовлены и полностью соответствуют заявленным параметрам. Обеспечивают прекрасный теплоотвод от силовых элементов, и при цене чуть больше 10 рублей за штуку выглядят весьма привлекательно.

Послесловие

Уже закончив обзор, понял, что не могу отказать себе в удовольствии и не проверить термопрокладки, купленные на AliExpress в виде вот такого симпатичного набора. (Керамики в нем, разумеется, не было).

Материал прокладок очень «резиновый» на ощупь и имеет толщину 0,3 мм, так что интуиция подсказывала — они должны быть еще хуже, чем изделия Номакон. Не стану выкладывать никаких фотографий, интуиция в данном случае не обманывает. Разница температур 70°С была достигнута уже при мощности 37 Ватт.