Материалы теплового интерфейса

Растущая нагрузка

Развитие электромобилей увеличивает требования к материалам теплового интерфейса. Питер Дональдсон рассматривает, какие из них действительно эффективны, а какие — нет.

Задача материала теплового интерфейса кажется простой: заполнять микроскопические воздушные промежутки между источником тепла и радиатором, обеспечивая тем самым передачу тепловой энергии. Десятилетиями для этой цели обычно использовался простой материал, выбранный из каталога по единственному показателю удельной теплопроводности. Сейчас ситуация изменилась. Три взаимосвязанных фактора, связанных с развитием электромобилей, способствуют коренным изменениям в этих материалах.

Первым является сдвиг в сторону архитектур батарей типа «клетка-упаковка» и «клетка-шасси». Это означает, что теплопроводящий материал больше не может быть просто теплопроводником между модулем и пластиной охлаждения. Вместо этого он должен выполнять функции структурного клея большой площади, высоковольтного электрического изолятора и важной защиты от ситуаций теплового выхода из-под контроля. Кроме того, его необходимо быстро наносить и обеспечивать его работоспособность на протяжении всего срока службы транспортного средства.

Вторым фактором является использование полупроводников с широкой зоной пропускания, таких как SiC и GaN, в инверторах тяги, что приводит к температурам на переходах свыше 200 °C — уровню, при котором традиционные органические теплопроводящие материалы перестают эффективно работать, а даже сварки с высоким содержанием свинца достигают своих пределов. Решениями являются спеченные серебряные и медные пасты, которые превращают интерфейс в надежную металлическую связь.

В-третьих, отрасль теперь рассматривает не только начальные показатели производительности, но и весь жизненный цикл продукта. Сейчас существует потребность в теплоизоляционных материалах, которые смогут сохранять свои свойства в течение 15 лет и более на неровных дорогах в условиях высокой влажности и соли, при этом позволять без проблем отсоединиться, чтобы батарейный блок можно было починить, переработать или утилизировать. Простое значение теплопроводности, указанное в спецификациях в единицах ватт на метр-килвин (W/mK), больше не является достаточным.

Ключевые инициативы по достижению баланса между высокими тепловыми характеристиками и термомеханической надежностью включают использование полимеров с полусвязывающими свойствами, таких как наполнители нового поколения для заполнения зазоров, или теплопроводящих клеев с высокой прочностью связи (TCA). В зависимости от устойчивости к температуре могут применяться такие смолистые технологии, как полиуретан, эпоксид или даже силикон, для удовлетворения различных требований батарейных систем, устройств преобразования энергии и электроники управления батареями.

Компромисс между тепловыми и диэлектрическими свойствами

Одной из проблем является то, что повышение теплопроводности часто идет в ущерб электрической изоляционной способности теплового интерфейсного материала. Во многих случаях один материал уже не может одновременно оптимизировать обе эти характеристики, что делает гибридные решения привлекательными. Такой гибрид может, например, сочетать высокотеплопроводные керамические слои с очень тонким тепловым интерфейсным слоем, таким как термический грейз или вещество для заполнения зазоров — последнее используется лишь для компенсации допусков и обеспечения надлежащего теплового контакта. Конкретное решение во многом будет зависеть от цепочки допусков и общей структуры слоев, но многослойные подходы могут стать важной тенденцией для определенных приложений, при которых каждый слой оптимизируется с учетом его конкретной функции.

Другой подход заключается в том, что следующее поколение композитов должно основываться на инновационных полимерных сетях, разработанных для создания более прочных и эффективных интерфейсов как с наполнителями, так и с подложками. Хотя искушение сосредоточиться на одном-двух ключевых свойствах велико, материалы высоких характеристик должны соответствовать гораздо более широкому и зачастую противоречивому набору требований. Настоящая сложность заключается в достижении такого баланса, который обеспечивал бы надежную работу материала при одновременной возможности его массового производства с высокой эффективностью.

В конструкциях аккумуляторов типа «клетка-упаковка» материал теплового интерфейса должен одновременно выполнять функции теплового моста, конструктивного клея и электрического изолятора. Это требование заставляет смещать приоритеты разработок в сторону материалов с низкой теплопроводностью. Задача заключается в поиске оптимального баланса между прочностью соединения и эластичностью при использовании таких материалов для соединения различных поверхностей и материалов, применяемых в аккумуляторах нового поколения.

Изменения в разработке TIM, вызванные архитектурой от ячейки к пакету, приводят к смещению акцента с максимизации теплопроводности на обеспечение баланса между тепловой, механической и диэлектрической надежностью на протяжении всего срока службы аккумулятора. Материал должен покрывать большие поверхности, компенсировать допуски, соединять или поддерживать ячейки, выдерживать вибрации и старение, а также сохранять электрическую изоляцию при сжатии, влажности и термических циклах.

Наиболее сложным показателем, который трудно достичь без компромиссов, обычно является механическая/структурная прочность. Когда термоизоляционный материал становится более адгезивным или несущим нагрузку, он склонен становиться более жестким, его труднее перерабатывать, он вызывает больший стресс, а иногда хуже сопротивляется разбуханию клеток. Увеличение содержания наполнителя улучшает теплопроводность, но может негативно сказаться на удлинении при растяжении, обрабатываемости и диэлектрической прочности. Правильный выбор полимера может существенно повлиять на качество материала, и одна компания сосредотачивается на двухкомпонентных материалах на основе силикона, обеспечивающих высокую устойчивость к разбуханию и вибрациям.

Другой подход заключается в использовании высокоадгезивного силикона, основанного на стандартных технологиях жидких наполнителей для зазоров; в результате получается термоизоляционный материал, который слегка уступает по прочности специализированным конструктивным клеям, но при условии общей механической прочности системы достаточно прочен для многих конструктивных задач.

Взаимозависимые свойства

Высокую теплопроводность также сложно достичь в материале, который должен обладать всеми преимуществами традиционного конструкционного клея. Задача сбалансировать теплопроводность с адгезией, диэлектрической прочностью, механической уступчивостью, долговечностью и возможностями производства становится особенно сложной из-за того, что эти свойства находятся в глубокой взаимозависимости. Улучшение одного свойства часто сказывается негативно на другом, поэтому для инженеров-конструкторов и ученых крайне важно обсуждать компромиссы и приоритеты на ранних этапах цикла разработки.

При решении подобных сложных задач вычислительные методы, такие как машинное обучение, играют всё более важную роль в поиске новых материалов. Такие цифровые инструменты не только помогают оптимизировать процессы проектирования и разработки у ведущих создателей материалов, но и предоставляют клиентам доступ к «кубам данных», позволяющим использовать цифровые двойники для моделирования их будущих батарейных систем. Применение ИИ уже способствует созданию прогностических формул, что позволяет полностью избавиться от необходимости в реальных физических экспериментах с итеративной настройкой формул.

Однако для эффективной работы ИИ необходимо обеспечить его достаточным количеством данных и опыта. Проблема при разработке новых тепловых изоляционных материалов заключается в том, что одних только значений из технических характеристик недостаточно. Среди множества дополнительных факторов, которые необходимо учитывать, — качество и структура поверхности, тепловое сопротивление контакта, характеристики при сжатии и взаимодействие в рамках всей системы. Однако по мере появления большего количества данных должно стать гораздо проще прогнозировать характеристики тепловых изоляционных материалов и адаптировать их под конкретные задачи. Цель не обязательно заключается в том, чтобы ИИ напрямую формулировал состав материала; более практичным будет, если он будет определять и оптимизировать требования к материалу. Как только желаемые параметры производительности будут четко описаны, производители тепловых изоляционных материалов смогут использовать модели ИИ в качестве инструментов для поддержки исследований и разработок в этой области.

Тем не менее, отрасль ещё далека от ситуации, когда инженер может ввести набор требований и получить полностью оптимизированную формулу, готовую к применению, без необходимости физических экспериментов. Машинное обучение, молекулярная динамика и связанные с ними методы становятся всё более эффективными для сужения пространства возможных решений, выявления перспективных химических составов и помощи исследователям в более раннем этапе цикла разработки понять возможные компромиссы.

Более сложной остаётся проблема разрыва между прогнозируемыми характеристиками материала и его поведением в реальных условиях применения. В будущем маловероятно, что разработка будет проходить без физических экспериментов; скорее, будет использоваться высокоскоростной процесс разработки, при котором вычисления выполняют большую часть работы по отбору вариантов и оптимизации, а целенаправленные тесты подтверждают характеристики материала в реальной системе.

Проблемы масштабирования

Завод, производящий батарейные блоки или устройства электроники массово, сильно отличается от лаборатории, которая тестирует тепловые интерфейсные материалы на небольших образцах. Производство реальных электромобилей создаёт дополнительные сложности: большие площади, требования к допускам производства, высокая частота циклов, быстрая скорость подачи компонентов, изменчивые условия зазора, колебания температуры на производстве в разные сезоны и строго расписанные этапы сборки.

Это изменило способы тестирования продукции: некоторые компании создают собственные батарейные системы исключительно для того, чтобы иметь возможность внедрять новые тепловые интерфейсные материалы и другие компоненты в массовом производстве на этапе разработки, а также для тестирования систем в реальных условиях эксплуатации с быстрыми циклами зарядки и разрядки. Это позволяет получать очень ранние отзывы.

Ключевой момент заключается в том, что интерфейсы и процессы определяют производительность в масштабах крупных производств. TIM в виде ленты, например, редко выходит из строя из-за своей собственной электропроводности, а скорее из-за таких факторов реального производства, как неровности поверхности, допуски к размерам, неоднородное давление и ограничения, связанные с высокоскоростной сборкой. Поэтому крайне важно с самого начала проектировать TIM так, чтобы обеспечить их надежность в производстве, что включает гарантию быстрого просачивания жидкости при низком давлении, устойчивость к колебаниям и стабильную работу на протяжении всего периода производства, включая использование роботов при окончательной сборке.

Один из способов масштабирования включает раннее тестирование купонов — для изучения компрессионных свойств, теплопроводности в зависимости от коэффициента сжатия, а также поведения при деформации в процессе сжатия — и одновременную подготовку образцов для оценки при сборке вместе с компонентами клиента, что позволяет проверять их в реальных условиях сборки. На протяжении всего процесса важно оценивать показатели по всем параметрам, чтобы выявить как предвидимые, так и непредвиденные проблемы в соответствии с такими стандартами, как IATF 16949, предоставляя при этом клиентам подробные пояснения для их собственной оценки.

Региональные центры обработки батарей представляют собой инновацию в процессе подготовки материалов к производству. Такие центры также обеспечивают тестирование, в основном предоставляя клиентам заранее информацию о параметрах производства до того, как они закажут оборудование для производства.

Поэтому с самого начала всё большее значение приобретает учет всей системы в целом. Раннее согласование между TIM и оборудованием процесса, включая привлечение поставщика системы дозирования на ранней стадии, всё чаще считается критически важным. Если комбинации материалов и оборудования уже проверены на предыдущих проектах, можно избежать многих потенциальных проблем. Если материал новый, можно предоставить «образцы для тестирования» критических параметров, чтобы помочь определить стабильный диапазон работы процесса.

Цель заключается не просто в создании TIM, который хорошо функционирует в идеальных условиях, а в создании такого TIM, который остается предсказуемым, масштабируемым и надежным в неидеальных, высокоскоростных условиях его использования.

Ремонт, повторное использование, переработка

К списку ключевых требований, которые должны выполнять разработчики материалов — для батарей и многих других применений, — к разработчикам теперь относятся не только возможность производства и эксплуатационные характеристики, но также возможность ремонта и переработки. Появляется несколько подходов к реализации этих требований, связанных с циркулярностью материалов. Один из таких подходов — разъединение по требованию с использованием различных механизмов запуска. Например, существуют теплопроводные или конструкционные клеи, активируемые электрически, что позволяет выполнять ремонтные работы, а также функциональные покрытия, активируемые теплом, разрабатываемые для обеспечения возможности переработки.

Некоторые материалы для теплового управления по своей природе обеспечивают возможность демонтажа без необходимости в специальном механизме запуска. Например, некоторые жидкости для заполнения зазоров обладают очень высокой адгезией, но при необходимости их все равно можно разделить.

Ещё один подход, находящийся в стадии разработки, — это термопроводящая композиция для литья под давлением. Будучи термопластом, этот материал обещает не только облегчить ремонт модулей, но и сделать сам TIM перерабатываемым — что является важным прорывом, поскольку традиционные TIM, будь то вещества для заполнения зазоров, клеи или прокладки, как правило, не поддаются переработке и не могут быть использованы повторно.

Действительно перерабатываемые, высокопроизводительные тепловые изоляционные материалы возможны, но только если с самого начала рассматривать их как общую задачу проектирования. Для этого необходимо тесное сотрудничество между инженерами по проектированию упаковки и специалистами по разработке материалов, поскольку возможность переработки — это критический фактор, который нельзя добавить позже без последствий. Будут существовать компромиссы в характеристиках материалов, и ключевым моментом является своевременное понимание этих компромиссов, чтобы окончательный дизайн обеспечивал правильный баланс между тепловыми характеристиками, возможностями производства и удобством эксплуатации. В настоящее время существует несколько таких материалов, подходящих для применения в аккумуляторах электромобилей.

Возможность переработки представляет собой задачу на уровне системного проектирования. Цель заключается не в легком удалении материала при любых условиях, а в контролируемом, предсказуемом отделении без повреждения компонентов.

Стремление к долговечности

В стремлении к эффективному использованию материальных ресурсов долговечность имеет такое же значение, как и возможность ремонта и переработки. От разработчиков требуется гарантировать работоспособность устройств в течение гораздо более длительного времени, чем позволяют физические тесты — зачастую 15 лет, — поэтому применяются различные другие прогностические методы. Сочетание десятилетнего опыта с накопленными данными тестов, ускоренных испытаний на износ и старение, а также интеллектуального цифрового моделирования является мощным средством подтверждения долгосрочной работоспособности.

Что касается ускоренных тестов, важно отметить, что они имеют смысл лишь тогда, когда отражают реальные моды отказа, такие как потеря давления контакта или деградация интерфейса. Сочетая их с стабильными формулами и консервативными параметрами проектирования, можно обеспечить достоверную, основанную на физике уверенность в долгосрочной работоспособности.

Механические свойства, такие как адгезия, по-прежнему могут зависеть от конкретных условий нагрузки, однако материалы здесь обычно разрабатываются с учетом более высоких требований. Проведение тестов ускоренного старения совместно с клиентами по-прежнему важно, но для материалов на основе силикона тепловое напряжение, действующее на них в батарейных системах, обычно не является ограничивающим фактором. Часто речь идет не столько о том, сможет ли материал прослужить 15 лет, сколько о том, какие тесты следует проводить, как долго они должны длиться и какой должна быть стратегия проверки.

В приложениях второй жизни, таких как хранение энергии, батарейные модули часто реконструируются или интегрируются в другие системы, где они подвергаются менее строгим условиям эксплуатации по сравнению с автомобильным применением — например, меньшим вибрациям, — и где срок их службы может быть еще длиннее.

Электроника с жидкостным охлаждением

Жидкостное охлаждение стало стандартом практически для всех аккумуляторов электромобилей, за исключением самых маленьких, а в сфере центров обработки данных оно переходит от стоек с процессорными системами к самим чипам. Его также начинают применять в высокомощных инверторах электромобилей, хотя и не так, как в центрах обработки данных. Охлаждение непосредственно чипа основано на тех же основных принципах TIM, что и другие современные методы охлаждения, но предъявляет гораздо более строгие требования. Поскольку эти системы работают при чрезвычайно высоком локальном тепловом потоке, они требуют строго контролируемой толщины связующих элементов, высокой плоскостности холодных пластин и точного механического нагружения. Даже небольшие отклонения могут усилить проблему «точек высокой температуры», повысить термомеханическое напряжение и поставить под угрозу надежность корпуса. Таким образом, охлаждение непосредственно чипа повышает требования к эффективности TIM, превращая то, что часто является вопросом выбора материала, в проблему проектирования всей системы.

По мере приближения системы охлаждения к кристаллу SiC роль материала TIM меняется с передачи тепла в объеме на точную инженерию интерфейса. В этом случае критической становится наличие сверхтонких соединительных линий, отсутствие пустот при контакте, снижение напряжений и надежность в условиях быстрых тепловых скачков.

Проблемы твердотельных элементов

Новые твердотельные аккумуляторы обещают более высокую энергетическую плотность, но создают новые термомеханические напряжения на интерфейсах с элементами охлаждения. В современных литиево-ионных элементах TIM часто проектируются с учетом возможного расширения и движения аккумулятора на протяжении всего срока его службы; однако требования могут измениться из-за элементов, которые расширяются иначе, чем современные пакетные и призматические элементы.

В твердотельных системах требования смещаются в сторону поддержания точного, однородного контакта в гораздо более сложной механической среде. Снижение увеличения размеров, например, означает меньшую естественную компенсацию допусков, что повышает важность стабильного контакта при контролируемом давлении.

Это означает, что следующее поколение материалов TIM должно будет делать нечто большее, чем просто поглощать деформации и обеспечивать тщательно контролируемый баланс между упругостью, размерной стабильностью, тепловыми характеристиками и долгосрочной надежностью интерфейса. Задача теперь заключается не столько в управлении расширением, сколько в сохранении контакта, поскольку даже небольшие изменения на интерфейсе могут иметь гораздо более значительные последствия, чем раньше. Материалы TIM будут оцениваться не столько по пиковой проводимости, сколько по долгосрочной стабильности интерфейса, упругости и предсказуемому механическому поведению на протяжении всего срока службы устройства.

Также важно различать расширение элементов в горизонтальном направлении, то есть расширение между элементами, и нагрузку в вертикальном направлении, где материал теплового интерфейса обычно располагается под элементами. Вертикальное расширение обычно более ограничено, поэтому требования, предъявляемые к твердотельным аккумуляторам, вряд ли станут серьезной проблемой для разработчиков материалов теплового интерфейса.

С точки зрения управления теплом это скорее может привести к постепенным изменениям, чем к коренным сдвигам. Например, будущие конструкции элементов могут направлять процесс расширения в определенные области, ограничивая его в других. Если для рассеивания тепла можно использовать только часть поверхности элемента, доступная площадь может уменьшиться, но это можно компенсировать с помощью более эффективных тепловых материалов.

В настоящее время потребности в твердотельных аккумуляторах, по-видимому, стимулируют разработку высокоэластичных теплопроводящих материалов с твердым соединением, обладающих теплопроводностью от 1,3 до 2,0 Вт/м·К. На момент написания текста это практически не отличается по характеристикам от материалов TIM для аккумуляторов, которые уже разрабатываются ведущими производителями.

Более высокая энергетическая плотность, вероятно, увеличит спрос на материалы с лучшей теплопроводностью, но это уже достижимо. В области электроники высокой мощности уже используются материалы с значительно более высокой теплопроводностью, чем у существующих решений TIM для аккумуляторов.

Как и во многих областях технологий, связанных с электромобильностью, растущие требования к производительности, возможностям производства, увеличению срока службы и снижению экологического воздействия тепловых интерфейсных материалов превращают когда-то простые продукты в гораздо более сложные с точки зрения используемой в их создании инженерии.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить Хольгера Шуха, старшего менеджера по тепловым и технологиям обработки в Henkel; Вольфганга Хёфера, руководителя бизнес-подразделения в Kerafol; Эрика Уаймана, менеджера по развитию бизнеса в Parker, а также Шейна Томпсона, менеджера по инженерным вопросам в области электронных материалов в Parker; и специалистов из Saint-Gobain.

Некоторые поставщики тепловых интерфейсных материалов

C-Therm

Dow

Gravic Group

HB Fuller

Henkel

KERAFOL

Laird

Parker

Saint-Gobain

Sika