CC BY
149
УДК 620.22
Д. А. Ногин, А. В. Салов, Р. А. Шишкин, А. А. Елагин , М. В. Баранов, А. Р. Бекетов, В. С. Кудякова, О. В. Стоянов
ТЕПЛОПРОВОДНАЯ ПАСТА С НАНОРАЗМЕРНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ ДЛЯ LED
СВЕТИЛЬНИКОВ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ
Ключевые слова: теплопроводная паста; термопаста; нитрид алюминия; полидиметилсилоксановая жидкость;
теплопроводность; напряжение пробоя.
Продолжительность эксплуатации и характеристики светодиодной техники промышленного назначения в значительной степени зависят от рабочей температуры системы диодная матрица-термопаста-радиатор. Для более эффективного использования диодов целесообразно увеличить напряжение на них, но для сохранения прежних сроков эксплуатации необходимо поддержание неизменной температуры системы. Поэтому данная статья изучает возможные составы и их физико-химические свойства для получения теплопроводной пасты с более высокими теплофизическими характеристиками и наноразмерным наполнителем, что позволит значительно увеличить мощность LED светильников.
Keywords: thermal paste; thermal grease; aluminum nitride; magnesium oxide; polydimethyl silicone fluid; thermal conductivity,
breakdown voltage.
Life work and technical properties of industrial applied LED considerably connected with working temperature of LED matrix-thermal paste-cooler system temperature. More efficient diodes application requires more voltage; however to save working life of LED installation it is necessary to maintain the constant system temperature. Therefore the paper deals with possible compounds and its physicochemical properties to obtain thermal paste with high physicothermal properties and nanosized filler, which allows to significantly increase LED power.
Введение
Создание оптимальных температурных режимов р-п переходов светодиодов и светодиодных осветительных устройств в целом может осуществляться за счет интенсификации теплообмена путем использования в конструкции тепловых труб - высокоэффективных устройств теплоотвода (теплопроводность более 5000 Вт/м-К), позволяющих отводить тепло от источника нагрева (светодиода, светодиодной матрицы) с высокой скоростью и предотвращать перегрев светодиода, сохраняя характеристики свечения.
Однако эффективность переноса тепла в светодиодном осветительном устройстве зависит не только от коэффициентов теплопроводности тепловой трубы и теплорассеивающего материала, но и от площадей соприкосновения поверхностей светодиодной матрицы, корпуса светильника и тепловой трубы. Поскольку поверхности любых материалов не являются абсолютно плоскими, то в пространстве между ними при соединении образуются воздушные прослойки, значительно снижающие теплоперенос в системе (коэффициент теплопроводности воздуха 0,025 Вт/(м-К), что минимум в 5000 раз меньше коэффициента теплопроводности алюминиевой матрицы и тепловой трубы). Эту проблему можно решить разными способами, но наиболее оптимальным и широко используемым является применение теплопроводных паст (термопаст).
Термопаста - это соединение связующего (как правило, кремнийорганического) и наполнителя (теплопроводного материала, например, металла или оксида металла). Свойства теплопроводной пасты должны удовлетворять следующим требованиям:
> Высокая теплопроводность;
> Низкая плотность;
> Длительность эксплуатации без потери характеристик;
> Высокие диэлектрические характеристики;
> Высокая адгезия к соединяемым материалам.
Из всего многообразия существующих в мире термопаст, в российской светодиодной промышленности наибольшую популярность, в силу экономичности, получили марки: «КПТ-8» и «Ал-Сил-3». Однако они обладают несколькими существенными недостатками:
- низкий коэффициент теплопроводности (КПТ-8: 0,6 - 1,0 Вт/(м-К), АлСил-3: 1,3-1,4 Вт/(м-К));
- высыхание и снижение заявленных характеристик в процессе использования.
Таким образом, данные материалы не решают задачу эффективного теплового контакта между поверхностями тепловыделяющей матрицы и тепловой трубы, особенно в долгосрочном периоде работы светильника (более 1 года).
Исходя из этого, была поставлена задача разработки нового высокотеплопроводного электроизоляционного композиционного материала для использования в качестве теплопроводной пасты в месте контакта поверхностей светодиодной матрицы, корпуса светильника и тепловой трубы в осветительном светодиодном устройстве повышенной мощности.
На основании аналитического обзора возможных путей решения данной задачи [1] сделан вывод о необходимости проведения исследования двух новых типов наполнителей теплопроводной пасты: нитрида алюминия и смешанного оксидонит-ридного материала на основе оксида магния и нитрида алюминия, как наиболее перспективных мате-
риалов для производства термопаст с повышенным коэффициентом теплопроводности. А также провести исследования по модификации полученных теплопроводных материалов наноразмерными частицами аналогичного состава с целью снижения пористости и повышения коэффициента теплопроводности и коэффициента удельного электросопротивления конечных термопаст.
В работе [2] предложено использование композиционного материала жидкое стекло-оксид магния в качестве твердеющей теплопроводной замазки. Данный состав обладает большим значением теплопроводности (1,71 - 1,73 Вт/м-К). Однако высокая пористость (40-46%) значительным образом сказывается как на теплофизических характеристиках, так и на механических, что может привести в процессе эксплуатации к постепенному разрушению связующего материала. Более того, в вышеупомянутой работе была отмечена перспектива применения данного материала в качестве высокотемпературной замазки, обеспечивающей плотный тепловой контакт между излучающей пластиной, выполненной С-С композиционного материала и тепловой трубой, выполненной из нержавеющей стали термоэмиссионной ядерной установки. Дальнейшее развитие данной тематики, по нашему мнению, в первую очередь связано со снижением пористости композиционных материалов, а также модификации композита более теплопроводным материалом. Стоит отметить, что данная теплопроводная паста является засыхающим затвердевающим композиционным материалом (термоклеем), что делает затруднительным повторное использование платы или её замену в диодном светильнике.
Таким образом, необходимо новое решение с использованием органического или элементорга-нического незатвердевающего связующего для получения термопасты. Ряд работ посвящён изучению теплопроводных материалов с эпоксидной матрицей [3-5], однако, данное решение также является нетехнологичным, вследствие затвердевания и сложностей при удалении композита. Польские исследователи предлагают использовать полипропиленгли-коль в качестве связующего [6], однако, следует отметить ряд недостатков такого выбора, а именно: гигроскопичность, что негативно сказывается на свойствах композиционного материала, низкая температура кипения (187 °С), что при рабочих температурах до 110-120 °С приведёт к постепенному удалению связующего и потере эксплуатационных характеристик.
В свою очередь, были предложены к использованию связующие из числа полидиметилси-локсановых жидкостей (ПМС). Ряд данных жидкостей, в зависимости от степени полимеризации, в значительных пределах изменяют свои физико-химические свойства. Так при увеличении полимеризации - увеличивается температура кипения и вязкость. Первый параметр позитивно влияет на свойства конечного продукта, однако, увеличение второго параметра ведёт к уменьшению степени наполнения, а значит, падению теплопроводности конечного композиционного материала. Таким образом, было установлено, что ПМС 500-1500 явля-
ются оптимальным решением в качестве связующего компонента термопасты. Высокая температура кипения (более 300 °С), низкая плотность (0,98 г/см3), гидрофобность, электрическая прочность, высокая смачиваемость к основным типам подложек, таких как медь и алюминий, и промышленная доступность делают данные соединения чрезвычайно перспективными связующими для целого ряда теплопроводных паст.
В качестве наполнителя был выбран нитрид алюминия благодаря своим теплофизическим и физико-химическим свойствам, а именно: высокой теплопроводности (порядка 120-150 Вт/м-К), большой ширине запрещённой зоны (5 эВ), стойкости к окислению до 600 °С и невысокой плотности (3,26-г/см3). Также стоит отметить, что в обзорной статье по теплопроводным пастам и возможным материалам для них отдельное внимание было уделено перспективности внедрения нитрида алюминия в качестве теплопроводного наполнителя.
Экспериментальная часть
Для создания теплопроводных паст был получен ряд образцов следующих составов:
• Механическая смесь микронного и нано-размерного нитрида алюминия;
• Механическая смесь микронного оксида магния и наноразмерного нитрида алюминия;
• Механическая смесь микронного оксида магния и микронного нитрида алюминия;
Данные составы были выбраны с целью изучения влияния добавки наноразмерного материала к микронному наполнителю, а параллели были выбраны для изучения теплофизических характеристик теплопроводных паст с высокотеплопроводным микронным и наноразмерным наполнителями, изучения повышения теплопроводности композиционного материала при введении наноразмерного теплопроводного материала и влияния наночастиц на теплопроводность композиционного материала с наполнителем из нитрида алюминия.
Образцы были получены по следующей технологии - механическая смесь порошков помещалась в мерный стакан, куда с избытком добавлялся ацетон, после чего полученная суспензия была механически перемешана роторной мешалкой. Следующим этапом получения теплопроводной пасты стало добавление связующего в полученную суспензию с последующим механическим перемешиванием. Получившаяся суспензия подвергалась сушке при температуре 40 °С в вакууме в течение двух часов. В результате чего после испарения ацетона, была получена теплопроводная паста с необходимым распределением частиц в матрице.
Теплопроводные пасты были исследованы на теплопроводность методом лазерной вспышки на приборе NETZSCH LFA 457 MicroFlash;
Стендовые испытания проводились на процессоре Intel Core 2 Duo E6750 (Conroe). Эксперимент заключался в следующем: образцы полученных паст, а также ряда коммерчески доступных аналогов, наносились тонким слоем на процессор. После чего компьютер выдерживался в течение 15 минут для достижения минимальной рабочей темпера-
туры. Данные с датчиком температуры ядер процессора списывались с помощью программы СогеТетр 1.0 ЯС6. После чего начиналась нагрузка процессора с целью генерации максимального теплового потока с помощью программы СРи81аЪШ1уТе81 6.0 в течение 30 минут. В заключении компьютер остывал в течение 15 минут. Для каждого образца данное циклирование проводилось по 3 раза.
Определение пробивного напряжения при частоте 50 Гц композиционного материала проводили на установке АИМ-80 по ГОСТ 6581-75.
Определение угла смачивания исследуемым образцом медной и алюминиевой поверхностей проводили методом лежащей капли по стандартной методике.
Результаты и обсуждение
Очевидно, что при увеличении наполнения связующего теплопроводным материалом теплопроводность такой системы растёт. Однако стоит учитывать, что при значительном наполнении композиционного материала заметно увеличивается его вязкость. Таким образом, необходимо соблюдать определённый баланс между теплопроводностью системы и её вязкостью, ведь назначение термопаст -заполнить пространство между радиатором и нагревающимся элементом для вытеснения воздуха, поэтому такой композиционный материал должен обладать определённым значением текучести, превысив который будет наблюдаться образование воздушных пор при нанесении термопасты.
В результате многочисленных экспериментов была выявлена оптимальная вязкость при 20 °С - 870 - 1500 Пз, что соответствует 45-50 объёмным процентам наполнения полидиметилсилоксановой жидкости.
Особый интерес представляет собой использование наноразмерного наполнителя, как показывают расчёты исследователей [7-9] оптимальное содержание наночастиц в композиционном или керамическом материале составляет 5-20%. За счёт использования нанодисперсного наполнителя наблюдается образование более текучей, равномерно распределённой структуры (рис.1), что положительно сказывается на теплофизических характеристиках полученных материалов.
На снимке чётко видны крупные частицы нитрида алюминия, равномерно окруженные нано дисперсной добавкой того же состава. Благодаря данной структуре практически не наблюдается абразивного воздействия теплопроводной пасты при нанесении на подложку (нитрид алюминия обладает твёрдость 9 по шкале Мооса), в сравнении с термопастой без нанораз-мерного модификатора. Также исследование на электронном микроскопе показало незначительную степень агломерировавших наночастиц благодаря вышеупомянутой технологии введения частиц в связующее.
Полученные значения теплопроводности подтвердили предположения о значительном улучшении теплофизических свойств при введении на-ночастиц в теплопроводную пасту.
Рис. 1 - Распределение частиц в композиционном материале
Образец микронного нитрида алюминия, наполненный наноразмерным нитридом алюминия в зависимости от наполнения показал результаты 3,5 -3,8 Вт/(м-К). Что более чем в 4 раза превышает показатель аналогичной кремнийорганической пасты КПТ-8.
Но особое внимание обратил на себя образец, представляющий собой механическую смесь оксида магния и наноразмерного нитрида алюминия с теплопроводностью 4,0 -4,2 Вт/(м-К). Столь высокий показатель обусловлен достаточной теплопроводностью оксида магния [1] и высокой теплопроводностью нитрида алюминия. Стоит отметить, что данный образец превосходит по теплопроводности аналог, где в качестве наполнителя была использована смесь микронного и наноразмерного нитрида алюминия. Это обуславливается тем, что используемый нитрид алюминия был получен методом СВС, вследствие чего обладает невысокой чистотой, а значит его теплофизические характеристики значительно ниже, чем ожидалось. Тем не менее, предположительно при использовании чистого нитрида алюминия возможно достичь результат значительно превосходящий данные показатели.
Для иллюстрации влияния наноразмерного наполнителя на теплофизические свойства был приготовлен образец оксид магния - микронный нитрид алюминия (того же химического состава, что и на-норазмерный нитрид алюминия). Полученные данные по теплопроводности отчётливо показывают значительный вклад наносоставляющей в теплопроводность конечного материала. Так полученные результаты составили лишь 2,0 - 2,7 Вт/(м-К). Что практически в 2 раза меньше, чем в образце с нано-размерным нитридом алюминия.
Стендовые испытания по технологии, описанной выше, показали высокие эксплуатационные характеристики разработанной пасты (рис. 2), а именно: рабочая температура процессора не превысила 66 °С (оксид магния - наноразмерный нитрид алюминия), 70 °С (нитрид алюминия - наноразмерный нитрид алюминия), 74 °С (оксид магния - нитрид алюминия). Данные измеренной теплопроводности и результаты стендовых испытаний отлично согласуются: так теплопроводная паста КПТ-8 пока-
зала максимальную температуру 93 °С (теплопроводность 0,8 Вт/(м-К)), образцы 2а1шап 8Тв-2 и БеерСоо1 29 (теплопроводность 4,1 и 4 Вт/(м-К), соответственно) показали результаты 69 (75) и 68 °С. Стоит отметить, что вследствие высокой вязкости термопасты 2а1шап наблюдалась технологическая трудность нанесения, вследствие чего мог быть нанесён неравномерный слой. Лидером же по результатам испытаний была признана паста Айс МХ-4, температура процессора при её использовании не превысила 61 °С (теплопроводность 8,5 Вт/(м-К)). Однако стоит отметить, что вследствие её высокой стоимости она не может применяться про-мышленно. Более того, превзойдённые по результатам стендовых испытаний БеерСо1о1 и 2а1шап, также не могут широко использоваться вследствие их высокой стоимости. Расчёт себестоимости образца оксид магния - наноразмерный нитрид алюминия показал не столь значительное удорожание по сравнению с термопастой КПТ-8, однако благодаря своим выдающимся теплофизическим характеристикам данный фактор может легко окупиться вследствие увеличения мощности прибора с одновременным сохранением его срока службы.
£-
А м Ч V V 1/
— \1gO-AlN КПТ-8
\
■ Оесрсоо! /.'' > ■
О 500 1000 1500 1000
Время, сск
Рис. 2 - Результаты стендовых испытаний
Очевидно, что немаловажными эксплуатационными характеристиками данных композиционных материалов, помимо теплопроводности, являются также смачиваемость к основным типам подложек (алюминий и медь) и напряжение пробоя, наглядно иллюстрирующее диэлектрические свойства материала.
Для определения смачиваемости плоскую металлическую пластину предварительно очищали ацетоном от жира и грязи. С помощью клейкой ленты пластину фиксировали на плоской горизонтальной поверхности и стеклянной пипеткой наносили на нее по три капли образца. После установления четкого симметричного контура капли фотографировали ее цифровым фотоаппаратом. Полученные изображения приведены на рисунках 3 и 4.
Рис. 3 - Форма лежащей капли на поверхности алюминия (три параллельных измерения)
Рис. 4 - Форма лежащей капли на поверхности меди (три параллельных измерения)
По полученным изображениям измеряли угол смачивания, результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Результаты определения смачивания медной и алюминиевой поверхности
№ опы- Угол смачивания 0, °
та Медная пластина Алюминиевая пластина
1 39 45
2 38 40
3 40 41
8 39 42
Среднее значение угла смачивания определяли по формуле:
где 8| - результат единичного измерения, п - количество измерений.
По полученным данным можно сделать вывод о том, что исследуемый образец обладает хорошим смачиванием медной и алюминиевой поверхности (угол смачивания 9<90°).
Результаты испытаний напряжения пробоя приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты определения напряжения пробоя исследуемого образца
№ пробоя UпробоЯ, кВ
1 52
2 50
3 54
4 55
5 53
6 46
Ч::::^ кВ 51,7
5, кВ 1,33
У,% 2,58
Среднее арифметическое значение пробивного напряжения в кВ вычисляли по формуле:
""ЛЬ*"
где . величина, полученная при последова-
тельных пробоях, кВ;
п - число пробоев.
Среднюю квадратическую ошибку Сц среднего арифметического значения пробивного напряжения вычисляли по формуле:
Значение коэффициента вариации V вычисляли по формуле
6) Разработанные теплопроводные пасты показывают свою эффективность и могут быть рекомендованы к промышленному внедрению;
7) В ходе проделанной работы были выявлены оптимальные массовые и объёмные соотношения материала наполнителя к связующему, что позволяет получать теплопроводные пасты с наилучшим сочетанием теплопроводности и вязкости. На основании полученных данных была выпущена опытная партия промышленных светодиодных светильников повышенной мощности с использованием теплопроводной пасты с наноразмерным наполнителем.
Значение пробивного напряжения не превышает нормированный коэффициент вариации 20 %.
Выводы:
1) Использование смешанного оксид магниевого - нанодисперсного нитрид алюминиевого наполнителя позволяет получить пасты с теплопроводностью более 4,0 Вт/(м-К);
2) Применение нанодисперсного нитрида алюминия (5-20 мас. %) приводит к значительному увеличению теплопроводности на 1,5 - 2,0 Вт/(м-К), т.е. в 1,75 - 2,0 раз;
3) Стендовые испытания подтвердили высокие теплофизические характеристики паст, что привело к значительному снижению максимальной рабочей температуры системы;
4) Теплопроводные пасты обладают достаточной смачиваемостью к основным видам подложек, таким образом, угол смачивания составляет 39° к меди и 42° к алюминию;
5) Показатель напряжения пробоя (51,7 кВ) показывает значительные диэлектрические свойства, а также безопасность в эксплуатации;
Литература
Бекетов 132-136
, Elagin A. 5, 3, 199-
Елагин А.А., Шишкин Р.А., Баранов М.В. А.Р., Стоянов О.В., Вестник КНИТУ, 4 (2013).
Shishkin R. A., Erkhova N. A., Beketov A. R.. A., Journal of ceramic science and technology. 202 (2014).
Xu Y., Chung D. D. L., Mroz C., Composites: part A, 32, 1749 - 1757 (2001).
Duan J., Shao S., Jiang L., Jing P., Liu B., Iranian polymer journal, 20, 11, 855 - 872 (2011). Yu J. H., Duan J. K., Peng W. Y., Wang L. C., Peng P., Jiand P. K. eXPRESS polymer letters, 5, 2, 132-141 (2011).
Wozniak M., Danelska A., Kata D., Szafran M. Powder technology, 235, 717-722 (2013).
Jordan J., Jackob K. I., Tannenbaum R., Sharaf M. A., Jasiuk I., Material science and engineering A-structural material properties, 393, 1-11 (2005). Tanaka T., Montanari G. C., Mulhaupt R., IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation, 11, 5, 763784 (2004).
Schaefer D. W., Justice R. S., Macromolecules, 40, 24, 8501-8517 (2007).
© Д. А. Ногин - начальник отдела по развитию новых проектов, инновационной и инвестиционной деятельности, ОАО «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод» имени Э.С. Яламова», kancelyariya@uomz.com; А. В. Салов - главный конструктор светотехнического оборудования, ОАО «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод» имени Э.С. Яламова», kancelyariya@uomz.com; Р. А. Шишкин - аспирант, инженер, кафедра редких металлов и наноматериалов физико-технологического института Уральского Федерального университета, R.shishkin@yahoo.com; А. А. Елагин - к.т.н., инженер, кафедра редких металлов и наноматериалов физико-технологического института Уральского Федерального университета. elaginftf@mail.ru; М. В. Баранов - д.т.н., профессор, кафедра редких металлов и наноматериалов физико-технологического института Уральского Федерального университета. А. Р. Бекетов - д.т.н., профессор, кафедра редких металлов и наноматериалов физико-технологического института Уральского Федерального университета; В. С. Кудякова - аспирант кафедры редких металлов и наноматериалов физико-технологического института Уральского Федерального университета; О. В. Стоянов - д.т.н., профессор, декан факультет технологии, переработки и сертификации пластмасс и композитов, ведущий научный сотрудник кафедры технологии полиграфических процессов и кинофотоматериалов, зав. кафедрой - Кафедра технологии пластических масс, stoyanov@mi.ru.
© D. A. Nogin - Head of Department for development of new projects, innovation and investment activity, Urals optical and mechanical plant; A.V. Salov - Chief designer of lighting equipment, Urals optical and mechanical plant; R. A. Shishkin - post-graduate student, engineer, rare metals and nanomaterials department, institute of physics and technology, Ural Federal University; A. A. Elagin -candidate of technical sciences, engineer, rare metals and nanomaterials department, institute of physics and technology, Ural Federal University; M. V. Baranov - doctor of technical sciences, professor, rare metals and nanomaterials department, institute of physics and technology, Ural Federal University; A. R. Beketov - doctor of technical sciences, professor, rare metals and nanomaterials department, institute of physics and technology, Ural Federal University; V. S. Kudyakova - post-graduate student, rare metals and nanomaterials department, institute of physics and technology, Ural Federal University; O. V. Stoyanov - doctor of technical sciences, professor, head of technology, processing and certification of plastics and composites faculty, expert printing processes and film materials department and head of plastic technology department.
