Перспективы рынков теплообменных материалов

Перспективы рынков теплообменных материалов

Выпуск 4 (6703) от 27 февраля 2020 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Теплообменные (термоинтерфейсные) материалы не так эффектны, как материалы, обладающие какими-либо новыми, необычными свойствами, однако они решают важную задачу усиления тепловой связи разнородных компонентов. Данные материалы нашли широкое применение – ​от вычислительной техники и потребительской электроники до средств накопления энергии и сетей и средств связи 5G. Все это дало основание исследовательской корпорации IDTechEx предсказать удвоение продаж теплообменных материалов за период 2020–2025 гг. и дальнейшее расширение рынка к 2030 г.

Теплообменные материалы (thermal interface materials, TIM) предназначены для размещения между компонентами с различными коэффициентами теплового расширения – ​для усиления тепловой связи между ними и снижения вероятности повреждения структур из-за различных термических свойств входящих в них компонентов. К TIM относятся: теплообменные пластичные смазки (пасты), клейкие (связывающие) составы, заполнители, прокладки и ленты, а также материалы с изменяющимся фазовым состоянием и металлические TIM.

Теплообменные пластичные смазки (пасты). Главным образом используются в электронной промышленности, обеспечивая очень тонкую поверхность соединения, а следовательно, малое тепловое сопротивление. Не обладают механической прочностью (кроме поверхностного натяжения смазки и возникающего в результате адгезионного эффекта) и нуждаются во внешнем механизме механической фиксации. Поскольку они не отверждаются, то используются только там, где материал может оставаться в виде тонкого слоя или где вязкость смазки позволит ему оставаться в нужном положении во время использования.

Теплообменные клейкие (связывающие) составы. Как и смазки, формируют очень тонкую поверхность соединения, но обеспечивают некоторую дополнительную механическую прочность сцепления после отверждения. При этом после отверждения или вулканизации толщина поверхности соединения может увеличиваться, т. е. возможно создание более толстых, чем при использовании теплообменных паст, слоев.

Теплообменные заполнители. Их можно определить как «отверждающиеся теплообменные смазки и пасты» или «несклеивающие теплообменные клеевые составы». Благодаря вулканизации обеспечивают более толстые поверхности соединения, чем смазки и пасты, а благодаря ограниченной адгезивности обеспечивают легкое разъединение.

Теплообменные прокладки. В отличие от предыдущих TIM, поставляются не в жидком или пастообразном виде, а в твердом состоянии (хотя эти материалы сами по себе могут обладать высокой мягкостью). Изготавливаются главным обарзом из силикона или силиконоподобных материалов. Их основное преимущество – ​простота применения. С их помощью можно создавать более толстые поверхности соединения, но обычно для их равномерного распределения по всей поверхности как источника тепла, так и теплоотвода требуются немалые усилия.

Теплообменные ленты. Легко наносятся на поверхности и прилипают к ним, не требуя времени на отверждение. Это, по существу, теплообменные прокладки с адгезионными свойствами.

Материалы с изменяющимся фазовым состоянием (phase-change materials, PCMs). К этой группе относятся липкие по своей природе материалы, используемые вместо теплообменных смазок и паст. Их применение аналогично применению твердых прокладок. После достижения температуры плавления порядка 55–60 °C они переходят в полужидкое состояние и заполняют все зазоры между источником тепла и теплоотводом.

Металлические TIM. Эти материалы обладают существенно более высокой теплопроводностью, а также самым низким сопротивлением теплового взаимодействия. Высокая проводимость приводит к меньшей чувствительности к толщинам поверхностей соединения и проблемам копланарности, чем у полимерных TIM [1].


Изменение структуры и расширение области применения

Крупнейшим сектором конечного потребления TIM на сегодня является рынок потребительской электроники. Так сложилось благодаря относительно высокому содержанию TIM на единицу подобной техники, но что более важно – ​ежегодные продажи потребительской электроники в натуральном выражении очень велики. Здесь TIM используются как в собственно приборах, так и в аккумуляторных батареях. Например, в обычном мобильном телефоне есть несколько теплообменных прокладок, соединяющих крышку защиты от внутренних радиопомех, покрывающую несколько микросхем, с корпусом телефона. Теплоотводы, как правило, располагаются под аккумуляторной батареей и за дисплеем. В некоторые последние версии мобильных телефонов также введены тепловые трубки – ​для работы в качестве компактного и эффективного теплоотвода. В лэптопах TIM обычно размещаются над или под центральным процессором, графическим процессором, памятью на твердотельном накопителе (solid-state driver, SSD) и батареями. В целом рынок TIM для потребительской электроники достаточно велик, и он не будет существенно расти, поскольку продажи потребительской электроники уже находятся в стадии насыщения.

Еще один большой сектор конечного потребления TIM – ​телекоммуникационное оборудование. TIM используются в блоках немодулированной полосы частот традиционных базовых станций, в радиоблоках ретрансляционных модулей и т. д. Блок немодулированной полосы частот обычно состоит из нескольких компонентов, таких как плата обработки немодулированной полосы частот, плата управления, источник питания и т. д. В последние годы этот рынок быстро развивался благодаря развертыванию по всему миру базовых станций LTE. Эта тенденция сохранится, так как LTE все еще внедряется в различных регионах мира. Тем не менее начиная с 2023 г. тенденция пойдет на спад из-за развертывания в еще больших объемах базовых станций 5G.

При таком сценарии требования к TIM, вероятно, будут другими. Распространение сетей и средств связи 5G изменит соотношение между количеством базовых станций и ретрансляционных модулей. Кроме того, для расширения использования активных антенных решеток потребуется интеграция множества модулей входных каскадов, содержащих усилители мощности и располагающихся непосредственно за подложкой антенной решетки. Тот факт, что эфирные потери (ослабление сигнала при радиопередаче) на более высоких частотах выше, будет означать необходимость дальнейшего повышения выходной мощности этих усилителей даже тогда, когда коэффициент усиления самой активной антенной решетки уже достиг существенных значений. Наконец, распространение сетей и средств связи 5G приведет к количественному росту используемых малых сот – ​микро- или фемто-сот, поскольку тенденция будет заключаться в использовании передовых технологий корпусирования для достижения максимально возможной функциональной интеграции каждого корпусированного кристалла ИС. Все эти тенденции связаны с повышением удельной мощности (на единицу площади), что усложняет требования к TIM.

Рост количества и возможностей центров обработки данных (ЦОД), вероятно, будет продолжаться благодаря увеличивающемуся спросу как на новые вычислительные средства, так и на замену и модернизацию имеющихся. ЦОДы очень энергоемки, и управление теплом для них важнейшая задача. TIM используются практически во всех компонентах ЦОДов – ​в серверных системных платах, коммутаторах и переключателях, модулях-диспетчерах (модулях-супервизорах) и источниках питания. Используемые здесь технологии TIM вряд ли существенно изменятся.

Важным рынком TIM остается силовая электроника. В классических модулях силовой электроники базовая плата соединяется с теплоотводом через TIM. Тем не менее при проектировании многих конструкций в приложениях с высокими эксплуатационными характеристиками, в том числе в трансмиссии (силовой передаче) электромобилей, разработчики стремятся отказаться от использования TIM. Это связано с тем, что в пути теплопередачи от полупроводникового перехода к теплоотводу TIM представляют собой участок с наибольшим тепловым сопротивлением. Действительно, многие конструкции, ряд из которых уже серийно производятся, используют непосредственное охлаждение базовой платы – ​воздушное или жидкостное, благодаря чему необходимость в использовании TIM исчезает. Эта тенденция говорит о том, что потребление энергии силовой электроникой электромобилей не будет расти так быстро, как сам рынок силовой электроники. При этом отмечается, что в силовых электронных модулях популярны материалы на эффекте изменения фазового состояния, т. к. свойство смачивания и растекания с образованием тонкой пленки при рабочих температурах обеспечивает высокую производительность и лучше ее гарантирует.

Рынок TIM для силовой электроники в целом остается достаточно крупным. На период с 2020 по 2030 гг. прогнозируются среднегодовые темпы прироста в сложных процентах (CAGR) порядка 6% по всем категориям, включая силовые модули бытовой техники, средства преобразования возобновляемых источников энергии в электричество, промышленную электронику, трансмиссии электромобилей и автомобилей других типов.

Наконец, еще одним существенным рынком конечного потребления TIM являются светоизлучающие диоды (СИД). Технологии корпусирования СИД разнообразны – ​к ним относятся «кристалл-на-выводной-рамке», «кристалл-на-керамике», «кристалл-на-печатной-плате-на-металлической-основе» и т. д. TIM часто используются в средствах СИД-освещения средней и высокой мощности для соединения подложки типа «металл–изолятор» или платы с теплоотводом. Также существенно расширяется использование СИД в автомобильном освещении. На наружной поверхности автомобиля расположено много источников света, включая фронтальное освещение (фары), поворотные огни, задние сигнальные огни и т. д. По мере повышения использования СИД в автомобильном освещении будет расти и использование TIM. В 2023 г. доля фар с традиционными источниками света снизится до 55% по сравнению с 75% в настоящее время, а в остальных фарах будут использоваться стандартные или матричные СИД. СИД также используются в ЖК-дисплеях, как и теплораспределительный слой – ​и в ЖК-дисплеях с задней подсветкой, и в ЖК-дисплеях с боковой подсветкой. Этот рынок огромен – ​если учесть внушительную совокупную площадь поверхностей ежегодно выпускаемых экранов.


Взрывной рост сектора средств накопления энергии для электромобилей

В перспективе основной движущей силой перемен рынка TIM станут средства накопления энергии в целом, а в более узком секторе – ​рынок литий-ионных аккумуляторов для электромобилей. Рост парка используемых электромобилей приведет к росту спроса на аккумуляторы. Кроме того, расширение применения электромобилей и увеличение разнообразия их типов обусловит возрастание спроса на аккумуляторы большой емкости. Один из основных факторов, лежащих в основе эффективной работы аккумуляторных батарей, – ​управление тепловым режимом. Он также критичен с точки зрения обеспечения безопасности – ​для предотвращения тепловых пробоев.

В настоящее время есть множество различных способов использования TIM в модулях аккумуляторных батарей. Это естественно, поскольку доминирующая общепринятая конструкция еще не появилась. Почти во всех случаях TIM располагаются в нижней части батарейного блока, создавая путь теплопередачи между элементами аккумуляторной батареи и теплоотводом. В ряде случаев теплообменники располагаются между отдельными элементами, что увеличивает возможности теплоотвода. В некоторых конструкциях для предотвращения теплового разрушения между ячейками размещается пористый амортизирующий материал – ​например, полиуретан.

В ближайшие 10 лет, а может, и дольше, рынок аккумуляторов будет стремительно расти, что полностью изменит структуру рынка TIM. Этот рост обусловлен:

ростом целевого рынка, то есть увеличением продаж всех видов электромобилей;

высоким содержанием TIM в аккумуляторных батареях.

Вследствие этого доля сегмента TIM для аккумуляторов в общем объеме рынка TIM вырастет с почти нуля в 2019 г. до более половины (в пересчете на м2) в 2025 г. [2, 3].


Повышение требований к TIM

TIM существуют в различных формах и под разными названиями – ​от прокладок и заполнителей до проводящих клеев, теплообменных пластичных смазок (паст) и т. д. Существует целый ряд соображений, касающихся свойств TIM, учитывая их конкретные области применения, включая адгезивность, вязкость, коэффициент теплового расширения (CTE), толщину поверхности соединения, перерабатываемость и долговечность. Однако наиболее существенные из них – ​сквозная проводимость и контактное тепловое сопротивление на поверхности соединения разнородных материалов. По мере того как в конечных системах будет использоваться все более плотное размещение ИС, требования к производительности TIM будут возрастать.

Кроме того, появляются новые материалы и способы их обработки. Важно хорошо разбираться в способах совмещения проводящих заполнителей. Совмещение, особенно в случае применения анизотропных добавок, может либо обеспечить экономию затрат за счет использования меньшего количества материала для обеспечения той же производительности, либо улучшить производительность при том же объеме применяемого заполнителя. Вопросы дельнейшего развития TIM следует рассматривать с учетом механических характеристик, обеспечиваемых связующими материалами. Лучшее совмещение может быть достигнуто несколькими путями: механическим, магнитным, электрическим, диэлектрофорезным или совершенствованием методов выращивания проводящих заполнителей.


Перспективные углеродные материалы

Многие разработчики для повышения проводимости пытаются использовать перспективные углеродные материалы – ​либо в качестве проводящего заполнителя в полимерной матрице, либо автономно. К подобным материалам относятся графит, углеродное волокно из пеков (вязкоупругие материалы, состоящие из ароматических углеводородов), углеродные нанотрубки (УНТ) и графен. Как показано на рисунке, потенциал высокой удельной теплопроводности, до 80 Вт/м·К (ватт/метр·Кельвин), достигается за счет вертикального совмещения.



Источник: IDTechEx

Удельная теплопроводность TIM на основе углерода


Один из наиболее примечательных примеров – ​использование углеродного волокна в смартфоне Galaxy Note 9 корпорации Samsung. Специалисты исследовательской корпорации IDTechEx также отмечают, что углеродные волокна на основе TIM используются в силовых электронных приборах электромобилей, различных военных применениях, средствах высокопроизводительных вычислений и т. д.

Большое внимание специалистов привлекает широкий диапазон углеродных материалов – ​от графита до графена в виде листов, паст или вертикально совмещаемых материалов прокладок. Доступно много сообщений о значительном улучшении их проводимости и перспективности применения в современных и следующих поколениях конечных изделий в таких секторах, как СИД, потребительская электроника, базовые станции и т. д.

УНТ известны с начала 1990-х гг. Они исследовались в качестве проводящих наполнителей, но более значимыми оказались обширные исследования в области вертикально совмещаемых лесов и матриц УНТ (vertically aligned forests/arrays carbon nanotubes, VACNT). Здесь пока существуют проблемы – ​от того, как переносить VACNT после выращивания, до того, как достичь равномерного (воспроизводимого) значения контактного сопротивления. Однако большие объемы совместных работ и сообщения об успехах многих ведущих фирм и исследовательских организаций КНР и Японии указывают на перспективность этой области в будущем.


Перспективные керамические материалы

Одна из проблем, связанных с использованием перспективных углеродных материалов, заключается в их электропроводности. Это означает, что прибор с их использованием должен быть спроектирован соответствующим образом. По этой и ряду других причин предпочтительными могут оказаться керамические материалы. Там, где это уместно, существует тенденция использования более сферических или чешуйчатых (хлопьеподобных) частиц, но в области перспективных материалов больше интереса проявляется к наноструктурам нитрида бора. Уже началась коммерциализация материалов на основе нанотрубок нитрида бора (boron nitride nanotubes, BNNT) и нанолистов нитрида бора (boron nitride nanosheets, BNNS).

BNNT отличаются широким разбросом по характеристикам и стоимости. Пока их использует малое число фирм и исследовательских организаций, но многие разработки в этой области уже переходят от этапа лабораторных разреботок к опытному, а иногда и к массовому производству. Многие специалисты считают, что одним из основных рынков потребления данных материалов станет рынок TIM, так как они уже продемонстрировали некоторые многообещающие результаты и привлекли внимание представителей ряда значимых отраслей [2].


1. Jarrtett Robert N., Ross Jordan P., Berntson Ross. Full Metal TIM. Power Systems Design Europe, September 2007. 

2. Ghaffarzadeh Khasha, Collins Richard. Thermal Interface Materials 2020–2030: Forecasts, Technologies, Opportunities. IDTechEx, January 2020: https://www.idtechex.com/en/research-report/thermal-interface-materials‑2020–2030-forecasts-technologies-opportunities/705 

3. Ghaffarzadeh Khasha. Thermal Interface Materials: Why Will Markets Double by 2025? Printed Electronics World, December 5, 2019: https://www.printedelectronicsworld.com/articles/19075/thermal-interface-materials-why-will-markets-double-by‑2025


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ