Tisk chladící pasty na povrch desky pomůže s jejím chlazením

Horké součástky na desce plošných spojů představují problém nejenom pro vlastní součástky, ale pro celou desku. Materiál desky není dobrým vodičem tepla a tak nemůže účinně rozvést teplo z míst s vyšší teplotou do chladnějších. Proto povrch desky, byť jinak dostatečně velký, nemůže být sám o sobě použit jako chladič To je ostatně důvod pro používání chladiče přímo na součástkách s vyšší teplotou, což ale nelze vždy vhodným způsobem zcela realizovat. Přesto existuje možnost, jak využít povrch desky pro chlazení.

Myšlenka chlazení povrchem desky je založena na použití tepelně vodivé pasty, která se na povrch desky nanese v podobě slabé vrstvy. Tato pasta odvádí teplo z míst s vyšší teplotou a umožňuje jeho přestup do okolního prostředí, většinou do vzduchu, nebo také do skutečného chladiče.  Jediným omezením je požadavek, aby pod pastou nebyla nepájivá maska, která přenos tepla z desky do chladící pasty ztěžuje. Chladící pasta může být aplikována na obě dvě strany desky.

Tento způsob chlazení lze ještě dále vylepšit tím, že se v místech desky s vyšší teplotou zhotoví prokovené otvory, např. velikosti via otvorů, které se také vyplní chladící pastou a navazují na vrstvu chladící pasty na povrchu, ať už na jedné nebo na obou stranách desky.

Chladící pasta (heatsink paste) obsahuje speciální polymér, který je vyplněný roztroušenými částečkami materiálu s dobrou tepelnou vodivostí. Pro představu, tepelná vodivost pasty se může pohybovat v rozsahu několika W/mK, zatímco vzduchu je pouze 0,026 a materiálu desky kolem 0.25W/mK. Pasta může být snadno nanesena na povrch desky tiskem pomocí sítotisku, nebo šablony (planžety). Plně funkční je až po vyschnutí, nebo spíše vytvrzení při určité teplotě.

Takových past existuje více druhů a běžně se používají například pro zajištění dobrého přestupu tepla do chladiče u výkonových součástek pod různým označením (Thermal grease, Themal conductive paste, TIM – Thermal Interface Material, atd.). Jsou určeny jako prostředník přestupu tepla mezi chladičem a součástkou, kdy vyplňují vzduchové mezery mezi nerovnými povrchy a zajišťují tak lepší převod tepla.

Chladící pasty, které jsou určeny pro použití jako chladič na povrchu desky plošných spojů, jsou podobné, ale v drobnostech se těch výše zmíněných liší, např. ve viskozitě, složení materiálu, odolnosti proti pájení, atd. Mezi ně patří například HSP pasty (ELPEPCB®Heatsink Paste HSP) od německé firmy Peters.

Pasty HSP4A a HSP2741 jsou založeny na epoxidu a odolávají procesu pájení a jsou po vytvrzení při teplotě 150°C po dobu 45 minut tvrdá. HSP4A odolává lépe chemikáliím lépe než HSP2741, která je zase více pružná než HSP4A.

Pro porovnání, pasta určená na povrch chladiče (TIM) od stejné firmy (ELPEPCB® Thermal Interface Paste TIP2792 ) má jiné složení, protože musí být po aplikování pružná, aby zvládla rozměrové diletace chladiče během provozních teplot a zajistila vytlačení vzduchových bublin v nerovnostech povrchu chladiče. Je založena na silikonové pryskyřici a vytvrzuje se po dobu 30 minut při 120 °C.

V případě, že by se na desku plošných spojů měl ještě přidat chladič, který by teplo z desky odváděl, potom je potřeba použít pastu pro odvod tepla z povrchu desky (např. pastu HSP4A, která má hladší povrch), na ni natisknout pastu pro chladič (např. zmíněnou TIP2792) a teprve na ni montovat chladič. Důvodem je fakt, že pasta pro odvod tepla z povrchu desky je po vytvrzení tvrdá, zatímco pasta pro chladič zůstává pružná a zajišťuje tak lépe lepší kontakt s povrchem chladiče.

Možnost tisknout chladící pastu na povrch desky plošných spojů činí proces nanesení pasty jednoduchou úlohou, běžně používanou při výrobě holých desek plošných spojů. Proces osazování desky se nemusí pastou vůbec zabývat, protože byla nanesena při výrobě desky. Z pohledu návrhu desky to také není komplikovaného, protože to pouze znamená vytvoření další kreslící vrstvy, na které bude kromě obrysu desky zakreslen i obrys(y) chladící pasty. Tato vrstva bude potom generována jako jeden z výstupů návrhu desky, například v podobě Gerber dat.

(mklauz) @dps-az.cz