Vật liệu nhựa cải thiện khả năng quản lý nhiệt trong các thiết bị điện tử

Sản phẩm SunForce™ là các hạt xốp được làm từ nhựa PPE biến tính XYRON™ kết hợp các đặc tính vật lý tuyệt vời của nhựa PPE biến tính—bao gồm khả năng chịu nhiệt, độ ổn định kích thước và khả năng hấp thụ nước thấp—với trọng lượng nhẹ và các đặc tính tá dược tốt (độ linh hoạt về hình dạng) của các hạt xốp.

Hơn nữa, sự kết hợp giữa khả năng chống cháy và khả năng chịu nhiệt cho phép bọt SunForce™ đáp ứng tiêu chuẩn chống cháy UL94 V-0 nghiêm ngặt ngay cả khi ở dạng vật liệu bọt dạng hạt.

Vì các sản phẩm SunForce™ được sản xuất bằng phương pháp tạo bọt trong khuôn nên chúng cũng lý tưởng cho sản xuất hàng loạt.

Ngoài ra, cấu trúc bong bóng độc lập của bọt SunForce™ giúp vật liệu này trở thành chất cách nhiệt tuyệt vời.

Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày hai ứng dụng minh họa khai thác các đặc tính độc đáo của bọt SunForce™ để cải thiện khả năng quản lý nhiệt trong các thiết bị điện tử.

SunForce™ thích hợp cho sản xuất hàng loạt vật liệu cách nhiệt thành mỏng, có hình dạng phức tạp vì nó được làm từ các hạt nhỏ và được tạo bọt trong khuôn, ngoài ra còn có khả năng chịu nhiệt và chống cháy cao (đạt tiêu chuẩn UL94 V-0). Điều này cho phép sản xuất hàng loạt vật liệu cách nhiệt phù hợp với hình dạng của các bộ phận phức tạp.

Đối với việc cách nhiệt cho các bộ phận phức tạp, bông thủy tinh hoặc bọt polyurethane thường được công nhân thi công thủ công. Tuy nhiên, việc sử dụng SunForce™ không chỉ nâng cao hiệu quả quản lý nhiệt thông qua khả năng cách nhiệt cao mà còn góp phần ngăn ngừa sự ngưng tụ hơi nước, giảm số lượng chi tiết (tiết kiệm nhân công và chi phí), đồng thời cải thiện năng suất và độ chính xác lắp ráp (đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định) trong quá trình lắp ráp.

Những đặc tính này cho phép SunForce™ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi hiệu suất cao và độ an toàn cao, chẳng hạn như các bộ phận làm mát cho ô tô, các bộ phận làm mát cho thiết bị truyền thông 5G/6G và bộ điều hòa năng lượng mặt trời, các bộ phận làm mát bằng nước cho trung tâm dữ liệu và máy chủ AI, bộ tách dầu động cơ và ống dẫn điều hòa không khí.

Ví dụ đầu tiên của chúng tôi sử dụng tấm chắn nhiệt SunForce™ để đạt được khả năng cách nhiệt trong bảng mạch điện tử có các linh kiện tỏa nhiệt cao (chẳng hạn như có thể tìm thấy trong bộ phận PCS trong máy phát điện năng lượng mặt trời).

Khả năng cách nhiệt tuyệt vời, tính linh hoạt về hình dạng, khả năng chống cháy và chịu nhiệt của bọt SunForce™ khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho các tấm chắn nhiệt, giúp cách ly các vùng phát nhiệt khỏi các vùng không phát nhiệt trên các bảng mạch điện tử.

Các hình ảnh bên dưới cho thấy sự phân bố nhiệt độ bên trong một thiết bị điện tử, được tính toán bằng mô hình mô phỏng phân tích nhiệt, trước và sau khi bổ sung các tấm chắn nhiệt SunForce™ để cách ly các thành phần phát nhiệt cao khỏi các thành phần không phát nhiệt. Những kết quả này chứng minh cách các giải pháp quản lý nhiệt SunForce™ có thể đạt được sự giảm đáng kể nhiệt độ bên trong thiết bị.

Ví dụ này minh họa cách các tấm chắn nhiệt làm từ bọt SunForce™ có thể đơn giản hóa việc thu nhỏ các thiết bị điện tử bằng cách giảm nhiệt độ hoạt động, ngăn ngừa sự xuống cấp của linh kiện và cho phép linh hoạt hơn trong bố trí linh kiện.

Ví dụ thứ hai của chúng tôi liên quan đến việc lắp đặt các ống dẫn cách nhiệt SunForce™ trên một bảng mạch điện tử được trang bị các linh kiện tỏa nhiệt cao. Điều này bổ sung cho ví dụ về tấm chắn nhiệt đã thảo luận ở trên bằng cách trình bày một cách khác để khai thác các đặc tính độc đáo của bọt SunForce™ nhằm cải thiện hiệu suất quản lý nhiệt trong các thiết bị điện tử.

Sự khác biệt về nhiệt độ hoạt động của các linh kiện điện tử tạo ra luồng khí đối lưu bên trong các thiết bị điện tử. Trong một số trường hợp, nhiều yếu tố khác nhau—chẳng hạn như cách bố trí các linh kiện hoặc sự phân bố nhiệt độ bên trong thiết bị—có thể kết hợp lại để cản trở luồng khí qua các vùng thiết bị cụ thể, làm giảm hiệu suất của các cơ chế làm mát và khiến nhiệt độ linh kiện tăng lên.

Vấn đề tắc nghẽn luồng không khí phát sinh trong hệ thống cụ thể được xem xét trong ví dụ này: một bộ chuyển đổi quang điện mặt trời (PCS) được trang bị quạt làm mát bên trong, được mô tả sơ lược ở bên trái trong hình dưới đây. Để khắc phục vấn đề này, chúng tôi đã cải tiến thiết kế bằng cách lắp đặt các ống dẫn cách nhiệt SunForce™ xung quanh bộ phận quạt, như thể hiện ở bên phải bên dưới.

Các sơ đồ dòng chảy bên dưới cho thấy luồng không khí mô phỏng đi qua thiết bị điện tử trước và sau khi bổ sung các ống dẫn SunForce™. So sánh các đồ thị này, chúng ta thấy rằng các ống dẫn tạo ra các đường dẫn mới cho không khí lưu thông qua thiết bị, đảm bảo luồng không khí được kiểm soát trơn tru ở tất cả các giai đoạn từ hút vào đến thải ra. Sự cải thiện chất lượng luồng không khí đặc biệt đáng kể ở khu vực gần các bộ phận phát nhiệt.

Phân bố nhiệt độ mô phỏng được biểu thị bên dưới: Luồng khí được kiểm soát nhờ sự hiện diện của các ống dẫn giúp giảm đáng kể nhiệt độ của các bộ phận.

Ví dụ này minh họa cách các ống dẫn cách nhiệt làm từ bọt SunForce™ có thể cải thiện khả năng kiểm soát luồng không khí trong các thiết bị điện tử, nhờ đó giảm nhiệt độ linh kiện, ngăn ngừa sự xuống cấp của linh kiện và cho phép bố trí linh kiện linh hoạt hơn.

Nhựa PPE biến tính XYRON™ của Asahi Kasei là thuật ngữ chung cho hợp kim polyme kết hợp polyphenylene ether (PPE) với các loại nhựa khác.

XYRON™ có một số đặc tính tuyệt vời. Ngoài khả năng chịu nhiệt cao, nó còn có khả năng chống cháy, ổn định kích thước và chống nước tuyệt vời, cũng như trọng lượng riêng thấp. Hơn nữa, bằng cách thêm PPE vào nó trong khi tận dụng các đặc tính của các loại nhựa khác, nó là một hợp kim polyme hướng đến hiệu ứng hiệp đồng với các đặc tính của PPE.

Chúng tôi đề xuất XYRON™ G703Z (hợp kim PS/PPE, GF30%), một loại nhựa PPE đã được cải tiến, không chứa halogen và không chứa TPP*, kết hợp khả năng chống cháy thành mỏng với độ bền cao, làm vật liệu cho động cơ quạt tốc độ cao được sử dụng trong quản lý nhiệt máy chủ.
* TPP: Triphenyl phosphat

Nhựa PPE có trọng lượng riêng đặc biệt thấp trong số các loại nhựa kỹ thuật, góp phần làm cho quạt nhẹ hơn. Điều này làm giảm lực ly tâm sinh ra trong quạt khi quay tốc độ cao, ngăn chặn biến dạng. Do đó, quạt có thể quay với tốc độ cao hơn, cho phép tăng thể tích không khí và thoát nhiệt.

XYRON™ G703Z (hợp kim PS/PPE, GF30%) có khả năng chịu nhiệt cao và duy trì các đặc tính cơ học tuyệt vời ngay cả trong môi trường nhiệt độ cao, do đó có thể chịu được nhiệt độ môi trường tăng của các máy chủ hiệu suất cao, đôi khi có thể lên tới 90°C. Ngoài ra, XYRON™ G703Z (hợp kim PS/PPE, GF30%) không chứa halogen, không chứa TPP, có thành mỏng và khả năng chống cháy (UL94 V-0/0.75mm), trước đây rất khó đạt được, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho động cơ quạt tốc độ cao cho máy chủ.

Như thể hiện trong sơ đồ bên dưới, XYRON™ G703Z (hợp kim PS/PPE, GF30%) có sự phụ thuộc nhiệt độ thấp vào mô đun đàn hồi riêng, ảnh hưởng đến lượng biến dạng của quạt trong quá trình quay. Do đó, ngay cả ở nhiệt độ cao, quạt cũng ít biến dạng và luồng không khí ổn định được duy trì.

Asahi Kasei đã sản xuất thiết bị thử nghiệm độ bền động cơ quạt mẫu và đang tiến hành đánh giá hiệu suất thực tế của vật liệu.

Chúng tôi quét 3D các động cơ quạt có sẵn trên thị trường, tạo khuôn ép phun từ dữ liệu CAD, mẫu mô hình nhựa đúc và tiến hành đánh giá so sánh vật liệu. Vì nhiệt độ của các mẫu mô hình này có thể được kiểm soát trong lò nướng, chúng tôi có thể tiến hành thử nghiệm độ bền ở nhiệt độ và tốc độ quay gần với môi trường sử dụng thực tế.

Tài liệu tải xuống cung cấp dữ liệu chi tiết về các thử nghiệm độ bền, vì vậy hãy xem qua.