Печатаемый термоинтерфейс Dow Corning TC-4025. Новый класс материалов для отвода тепла

Сегодня российские производители светодиодного освещения взяли курс на оптимизацию затрат и повышение конкурентоспособности своей продукции. Обострилась и без того активная конкурентная борьба за «место под солнцем». В этих условия каждая компания выбирает свой путь — одни идут по пути тотального снижения издержек и использования максимально дешёвых компонентов, другие сосредоточены на оптимизации технологического процесса и внедрении новых подходов, позволяющих сократить расходы. В статье мы расскажем о первом опыте внедрения новой технологии печатаемых теплопроводящих подложек Dow Corning и совместно проведённой работе инженерами ГК Остек, разработчиками

ГК «Световые технологии» и представителями Dow Corning. Эксперименты проводились на новой демонстрационной площадке Остека в Технопарке «Орбита». Об опыте внедрения новых технологий и результатах эксперимента мы поговорим с заместителем технического директора ГК «Световые технологии» Антоном Булдыгиным.

Антон Владимирович, в первую очередь, хочу поинтересоваться, как Вам понравилась новая демонстрационная площадка Остека, где проводился эксперимент?

Прямо скажу, был приятно поражён масштабом. Уже много лет мы знаем компанию Остек как одного из крупнейших поставщиков технологий в России и очень рады, что у вас появилась дополнительная площадка для демонстрации возможностей предлагаемого оборудования и внедрения новых технологических процессов. Нам понравилось, что здесь можно провести полноценные работы, на деле ознакомившись с любой технологией. Парк оборудования впечатляет размахом, лично у меня возникает полное ощущение, что я присутствую на современном производстве. Картину дополняет и отличная поддержка технического персонала. Приятно, что в России появилось такое место.

В своих светильниках в качестве теплопроводящего материала вы, как и большинство производителей, используете теплопроводящие пасты. С чем связан повышенный интерес к внедрению новых типов материалов в ваших изделиях?

Да, разумеется, мы используем теплопроводные пасты в ряде изделий. Однако применение паст при крупносерийном производстве не совсем удобно. Дело в том, что паста, ввиду своих физических особенностей, не позволяет сделать процесс её нанесения чистым и быстрым. В нашем случае она наносится на компоненты светильника на этапе сборки и осложняет процесс тем, что требует от оператора особой аккуратности и внимательности, увеличивая сборочное время. Поэтому мы начали поиск альтернативных технологий, чтобы сделать операцию сборки чистой и быстрой и, по-возможности, сократить стоимость этого этапа. То есть уменьшить не только стоимость материала, но и затраты на этап в целом.

Что мешает использовать теплопроводящую пасту или клей?

Знаете, а это не всегда возможно в принципе. Последний пример: мы начали поставки уличных светильников в Европу, где по нормативам требуется обеспечить возможность замены «в поле» светодиодного модуля в неисправном светильнике. Конечно, прибор для этого снимают со столба и замена происходит в сервисной машине, но давайте представим, сколько неудобств получит рядовой монтажник при возне с пастой. Скорее всего, ничего хорошего из этого не выйдет. Даже объяснить толком весь процесс неподготовленному человеку — задача не из простых. Поэтому единственно верным тут может быть только plug-n-play решение.

После нескольких попыток отработать технологию теплопроводящих подложек мы пришли к выводу, что это абсолютно не наша история. Толстые подложки не позволяют точно позиционировать светодиодный модуль в конструкции, тонкие постоянно скатываются и при нанесении отнимают очень много времени у сборщика.

Что касается использования клея, то для профессиональных решений вряд ли это целесообразно, так как ремонтопригодность изделия становится неочевидна. Ведь в этом случае замена источника света будет сопряжена с заменой целого конструктивного узла, что влечёт за собой размытие ответственности в гарантийных случаях и неоправданно дорого с точки зрения стоимости ремонта.

Решением нашей задачи стал новый тип теплопроводящего материала — печатная теплопроводящая подложка Dow Crorning TC-4025.

Какие конструкторские и технологические преимущества предоставляет новый тип подложки?

Использование отверждённого термоинтерфейса по сравнению с вышеописанными технологиями выглядит наиболее выигрышно. Печатная плата, на которую нанесён такой материал, не пачкается, и работа с ней не обязывает сборщика или монтажника быть чрезмерно аккуратным и уделять много внимания операции. Всё сводится к простой отвёрточной сборке без отвлечения на шаблоны, ракели и пр.

С эксплуатационной точки зрения это именно то решение, которое требуется для простого обслуживания светильника в случае неисправности. Любой монтажник, не имея специальной квалификации, при помощи отвёртки в состоянии заменить светодиодный модуль в светильнике даже в полевых условиях. При этом трудовые и временные затраты на это будут сведены к минимуму.

В нашем производственном цикле нанесение данного материала планируется производить на участке SMD, сразу после монтажа светодиодного модуля. Для этого участка вывести точность процесса не представляет никакой сложности, а его чистота обеспечивается естественными условиями подобного производства.

Важно отметить и точность нанесения материала. На сборке контролировать толщину слоя практически невозможно, слишком велико влияние человеческого фактора. Поэтому технологические допуски на расход пасты достаточно велики. С новым типом материала ситуация в корне меняется, так как толщина слоя задана шаблоном, и технологические потери небольшие. Точность операции определяется ещё и тем, что она частично автоматизирована, таким образом вероятность ошибки здесь много ниже, чем при ручном нанесении.

Технология «печатаемых подложек» выглядит следующим образом: на первом этапе происходит подготовка и смешивание двух компонентов материала Dow Corning TC-4025. Далее полученная смесь наносится ракелем через металлический трафарет на печатную плату/корпус. Использование трафарета позволяет аккуратно и быстро наносить материал на изделия любой формы. После нанесения термоинтерфейс отверждают нагревом до 100-150 градусов на 10-20 минут. Материал полимеризуется и образует мягкий теплопроводящий слой.

Что показали результаты испытаний теплового режима опытных образцов?

После нескольких проведённых испытаний могу сказать, что наши расчётные данные полностью подтвердились. Интересно, что несмотря на консистенцию материала (а он не жидкий), тепловое сопротивление контактного пятна совершенно не ухудшается. Температуры p-n перехода светодиодов, которые мы имеем при использовании, пожалуй, самой популярной термопасты на рынке — Dow Corning SC 102, абсолютно совпали с теми, что мы получили при применении ТС-4025. Все полученные термограммы свидетельствуют о том, что с точки зрения процесса теплопередачи эти материалы абсолютно идентичны. А вот практичность разительно отличается в пользу ТС-4025.

Для операторов цеха SMD операция нанесения оказалась несложной, на сборочном участке на это решение отреагировали ожидаемо положительно — всегда приятно иметь чистое рабочее место.

Какой экономический эффект вы ожидаете от внедрения данной технологии? Ведь обычно новые материалы и технологии достаточно дорогостоящие.

Новый материал от Dow Corning не стал исключением из правила, он действительно дороже. Однако оценка экономической целесообразности не сводится к простому сравнению стоимости материалов. Здесь следует оценивать целый комплекс факторов.

Так как вязкость ТС-4025 выше, чем у пасты, наносить его можно намного точнее. Этим обстоятельством мы воспользовались для снижения стоимости материала в изделии. Мы решили наносить слой термоинтерфейса не сплошным покровом, а контактными пятнами, площадь и форма которых определяются расчётами. Так, эквивалентное тепловое сопротивление достигается балансом между меньшей площадью контактного пятна при бóльшей его теплопроводности. Логика проста: теплопроводность является неотъемлемой характеристикой материала, в то время как его количество прямо влияет на затраты. В результате расчётов получилось, что для обеспечения сопоставимого с пастой теплового сопротивления контактного пятна при использовании ТС-4025 площадь контакта можно уменьшить почти вдвое.

Далее необходимо упомянуть толщину наносимого слоя. Вязкость ТС-4025 позволяет наносить существенно более тонкий слой, чем у термопасты. Исходя из измеренной шероховатости типовой посадочной площадки, получаемой на нашем производстве, мы определили необходимую толщину термоинтерфейса. Конечно, она в разы отличалась от того, что получается при использовании пасты. В случае с ТС-4025 контролировать толщину слоя можно более точно, и она оказалась меньше, чем толщина слоя пасты.

Основные характеристики теплопроводящих подложек TC-4025 и TC-4015

В сумме эти два преимущества позволили значительно сократить объём наносимого материала и тем самым получить экономический эффект, несмотря на разницу в стоимости.

Стоимость сокращённых трудозатрат на сборочном участке несколько выше появившихся затрат на участке SMD, что оправдано частичной автоматизаций процесса нанесения. А так как оборудование, участвующее в процессе, несложное, амортизационные расходы при крупносерийном производстве не превышают приемлемых величин.

Сейчас мы можем уверенно говорить, что применение этой технологии экономически оправдано. Справедливости ради отмечу, что доля стоимости этого компонента в абсолютной величине на изделие настолько мала (менее 0,2 %) что практическое преимущество от его применения выглядит более весомым.

Начиная работу с данным материалом, мы думали только о практичности, и сначала закладывали ТС-4025 в спецификации светильников для освещения улиц и автомагистралей, где его практические характеристики особенно ценны. Но получив экономические выкладки, мы приняли решение о широком применении материала в нашей продуктовой линейке. Я уверен, что это решение позволит создавать надёжные и практичные осветительные приборы для самых различных областей применения.

Антон Владимирович, благодарим Вас за беседу и желаем успешного внедрения новой технологии на производстве!