Керамические термопрокладки для силовых радиокомпонентов. Часть 2. Нитрид алюминия

Не так давно я делал обзор термопрокладок из оксида алюминия Al2O3. К сожалению, на момент его написания у меня не было в наличии прокладок из куда более «продвинутого» материала — нитрида алюминия AlN. В настоящий момент я заполучил для тестирования несколько образцов и готов предоставить отчет. Кому интересно — читаем дальше.

На площадке AliExpress есть продавец (магазин) Shenzhen JRFT Store, в ассортименте которого есть различные прокладки из AlN, но продаются они лотами по 50 штук и стоят довольно дорого, 50-60 USD за лот (с бесплатной доставкой). Покупать так много для себя мне не хотелось, поэтому написал в магазин с просьбой предоставить несколько штук для тестирования. Продавец оказался весьма общительным (и как в дальнейшем выяснилось — очень ответственным), в итоге договорились, что они мне дадут бесплатно 4 штуки, но я сам оплачиваю доставку 9 USD. Заполучить их для проверки очень хотелось, поэтому согласился. Хотя по итогу совсем не бесплатно — 2,25$/штука :). Пишу об этом подробно, так как 50 штук одного размера нужны далеко не всем, а с продавцом явно можно договариваться об отправке меньших партий в случае самостоятельной оплаты доставки. В комментариях к предыдущему обзору кто-то также писал про этот магазин, что он покупал партию более дешевых прокладок из Al2O3 и добавлял к заказу несколько штук из AlN по цене около 1$ за штучку.

Товар пришел в достаточно обычной для AliExpress картонной коробке, открыв которую я обнаружил такую тщательную упаковку, с какой еще не сталкивался. Весь внутренний объем занят листами вспененного материала

в одном из которых сделан вырез точно под пакетик с прокладками.

На пакет нанесен липкий стикер с указанием содержимого, данных продавца и так далее.

Немедленно бросающееся в глаза отличие — прокладки имеют серый цвет.

Размеры выдержаны с большой точностью.



В остальном могу лишь повторить слова из предыдущего обзора: керамика как керамика — тяжелая, холодная, звонкая.

На странице продавца теплопроводность материала заявлена на уровне 160-190 Вт/(м*°С).

Это сравнимо с теплопроводностью алюминия, а прокладка под транзистором ТО-247 должна иметь термосопротивление 0,016-0,019 °С/Вт.

То есть перепад температуры на ней должен составить не более 1°С при рассеиваемой мощности 50 Вт. Кроме проверки теплопроводности самих прокладок, мне уже давно было интересно оценить вклад термопасты в общее термосопротивление интерфейса. При использовании столь эффективного (и дорогого) материала понимание этого вопроса становится особенно актуальным. Уже после публикации предыдущего обзора мне пришло в голову, каким образом можно более-менее точно выяснить, какой же все-таки минимальной толщины может быть слой термопасты. И хоть я и включил это в текст первой части, но просмотров после этого было мало, так что скопирую эти результаты сюда.

В магазине автозапчастей купил две шайбы регулировки ВАЗовских клапанов. Это металлические диски со строго плоскопараллельными гранями. Обработаны на удивление хорошо, как ни крутил бутерброд из двух штук между губками микрометра — разницы более 2-3 тысячных миллиметра не увидел.

Нанес каплю пасты, раздавил как смог.

Результат.

После «вскрытия».

Итого слой получился 0,02 мм.
При теплопроводности 11,2 Вт/(м*°С) тепловое сопротивление такого слоя будет 0,008°С/Вт, вклад не более 0,4°С. А вот два таких слоя (при использовании прокладки) пасты КПТ с теплопроводностью 1 Вт/(м*°С) уже будут иметь тепловое сопротивление 0,2°С/Вт, и при мощности 50 Вт это выльется в целых 10°С!!! Впрочем, консистенция КПТ намного «жиже», вполне возможно, что она будет иметь еще более тонкий слой и в реальности результаты будут лучше. Это и будем выяснять.

В качестве датчика температуры использую обычную термопару К-типа, купленную так же в Китае.

В предыдущем обзоре я измерял температуру радиатора, прижимая термопару к его поверхности на небольшом расстоянии от транзистора через каплю термопасты. В этот раз немного изменил методику — просверлил наклонное глухое отверстие небольшого диаметра рядом с транзистором так, чтобы этот канал оказался практически под фланцем, заполнил его термопастой и помещал термопару внутрь.

Первый замер — транзистор установлен без прокладок на термопасту Prolimatech PK-3. Картинка с результатами замеров.

Начало и конец графика — термопара внутри радиатора, середина (то, что повыше) — прижата к фланцу. Весь график плавно идет вверх — радиатор прогревается. Чтобы это учесть, нужно провести две прямые (в идеале они должны быть практически параллельны) и измерить разность температур между ними. Схематично изобразил на рисунке.

Разность температур примерно 0,6°С, это очень близко к расчетным 0,4°С. В прошлый раз у меня получилось около 4°С — не зря сверлил отверстие!

На всякий случай снова проверим термопрокладку из оксида алюминия.

Разность температур 5,5°С, из них примерно 1°С — вклад термопасты и перепада температуры внутри радиатора (как в опыте без прокладки) и 4,5°С — сама прокладка. Результат отлично согласуется с тем, что был получен в первом обзоре. (Напомню, что теоретический расчет давал 5,1°С).

Наконец исследуем новый образец из нитрида алюминия. Пролиматек наносится на нее с большим трудом, так как совсем не прилипает. Приходится наносить небольшие полосочки, а потом аккуратно придавливать прокладку к радиатору.

Результат замеров.

Общий перепад температуры 2°С, из них на собственно прокладку приходится ровно 1 градус (2-0,6-0,4=1). Полное совпадение с теоретическим расчетом!

Осталось совсем немного. Небольшой тюбик КПТ-8 купил в местном магазине.


Наносить такую пасту одно удовольствие — она напоминает жидкую гуашь и практически сама растекается по поверхности.


Сначала устанавливаю транзистор без каких-либо термопрокладок, только КПТ-8. Результат замеров.

Разность температур 1,6°С, всего на градус больше, чем с дорогой PK-3! Дешевая и широкодоступная КПТ-8 вполне справляется со своей работой, на один слой пришлось примерно 1,4°С!

Теперь прокладка из нитрида алюминия.


Разность температур 4,6°С. Это чуть больше, чем я ожидал. Возможно, что керамика имеет не столь идеальную поверхность, как фланец и радиатор, поэтому суммарная толщина двух слоев термопасты более, чем в два раза превосходит слой между фланцем и радиатором. Или еще что-то — вряд ли стоит ожидать совпадений до десятой доли градуса.

Подведу итоги.

1. Термопрокладки из нитрида алюминия обеспечивают великолепную теплопередачу, и при использовании хорошей термопасты дополнительное увеличение температуры в сравнении с прямой установкой транзистора на радиатор составит не более 3°С на 100 Вт рассеиваемой мощности.
2. Предоставленные магазином образцы выполнены весьма качественно и полностью соответствуют заявленным параметрам.
3. Использовать дорогие термопрокладки из нитрида алюминия совместно с КПТ-8 нерационально — результат практически такой же, как и при использовании термопрокладок из оксида алюминия с приличной термопастой, но такой вариант обойдется намного дешевле.

В комментариях к предыдущему обзору была небольшая дискуссия о том, что лучше использовать при подобных измерениях — термопару или тепловизор. В этот раз я попытался воспользоваться тепловизором, но результат меня совершенно не удовлетворил. Хорошо приклеить кусок черной изоленты к фланцу транзистора у меня не получилось — металла слишком мало. Попробовал нанести небольшое пятно термопасты на радиатор рядом с фланцем. И хотя я пытался тщательно его выровнять — тепловизор показывал немного отличающуюся температуру в разных точках этого пятна. К тому же, температуру пасты он тоже определяет с приличной ошибкой. Термограмма транзистора без нагрузки ниже, реальная температура радиатора (и всего остального) — 21,4°С.


Все-таки термопара дает куда более достоверные результаты. Ну или я тепловизором пользоваться не умею :).