Graphite sheets and graphite gap pads used as thermal interface materials : A thermal and mechanical evaluation

The electronic market is continually moving towards higher power densities. As a result, the demand on the cooling is increasing. Focus has to be put on the whole thermal management chain, from the component to be cooled to the ambient. Thermal interface materials are used to efficiently transfer heat between two mating surfaces or in some cases across larger gaps. There are several different thermal interface materials with various application areas, advantages and disadvantages. This study aimed to evaluate thermal and mechanical properties of graphite sheets and graphite gap pads. The work was done in cooperation with Ericsson AB. A test rig based on the ASTM D5470 standard was used to measure the thermal resistance and thermal conductivity of the materials at different pressures. It was found that several graphite sheets and gap pads performed better than the materials used in Ericsson’s products today. According to the tests, the thermal resistance could be reduced by about 50 % for the graphite sheets and 90 % for the graphite gap pads. That was also verified by placing the materials in a radio unit and comparing the results with a reference test. Both thermal values and mechanical values were better than for the reference materials. However, the long term reliability of graphite gap pads could be an issue and needs to be examined further.Elektronikbranschen rör sig mot högre elektriska effektertätheter, det vill säga högre effekt per volymenhet. Som en följd av detta ökar också efterfrågan på god kylning. Kylningen måste hanteras på alla nivåer, från komponenten som ska kylas, ända ut till omgivningen. Termiska interface material (TIM) används för att förbättra värmeöverföringen mellan två ytor i kontakt med varandra eller för att leda värmen över större gap. Det finns flera olika TIM med olika tillämpningsområden, fördelar och nackdelar. Denna studie gick ut på att utvärdera termiska och mekaniska egenskaper hos grafitfilmer och så kallade ”graphite gap pads” då de används som TIM. Projektet gjordes i sammarbete med Ericsson AB. En testuppställning baserat på ASTM D5470-standarden användes för att utvärdera värmeledningsförmågan och den termiska resistansen hos de olika materialen vid olika trycknivåer. Resultaten visade att flera grafitfilmer och ”gap pads” presterade bättre än materialen som används Ericssons produkter idag. Enligt testerna skulle den termiska resistansen kunna minskas med 50 % för grafitfilmerna och 90 % för ”gap padsen”. Materialens fördelaktiga egenskaper verifierades i en radioenhet där temperaturerna kunde sänkas i jämförelse med ett referenstest med standard-TIM. De nya materialen var mjukare än referensmaterialen och skulle därför inte orsaka några mekaniska problem vid användning.  Den långsiktiga tillförlitligheten för grafitbaserade ”gap pads” måste dock undersökas vidare eftersom de elektriskt ledande materialen skulle kunna skapa kortslutningar på kretskorten

Solar Energy on Kvarnholmen

In recent years it has become more and more evident that man has contributed to much of the climate changes that have taken place during the last century. A major challenge today is to reduce emissions and energy usage at the same time as the global population is growing. To contribute to a better environment, Stockholms Stad has set at target of becoming fossil fuel free by the year of 2050. The construction of new districts is done with this goal in mind; energy efficiency and renewable energy sources are examples of methods to achieve this.Solar energy is considered to be a sustainable energy source and the most common techniques to harvest solar energy in Sweden are solar cells and solar collectors which produce electricity and heat respectively. This report aims to investigate whether an investment in any of these systems would prove to be economically beneficial at Kvarnholmen, a district under construction in eastern Nacka, Stockholm.Since the finished blueprints only cover a small portion of Kvarnholmen, the report examines the possibilities for a house where construction has already begun, Nya Kvarnen. Using these calculations, the potential for the rest of the island is estimated based on the vision that was set up in 2005.A model for the sizing of the solar collector system and photovoltaic system on flat roofs was developed as the basis for the subsequent economic calculations. It was based on the orientation of the solar panels or solar collectors, the expected energy production and the estimated demand for hot water and electricity respectively.The economic calculation demonstrates that both solar collectors and PV cells are expected to be beneficial in the dimensions that have been chosen. For the collectors the calculated internal rate of return was 6.9 percent and a total investment cost of SEK 22 million gives a net profit of SEK 30 million after 25 years. The corresponding figures for the PV system are 10 percent internal rate of return, SEK 7.3 million in investment cost and SEK 18 million in net profit for the same life length. The solar collectors produce a total of 1 000 MWh of heat and the solar cells produce a total of 450 MWh electricity during a year. The produced energy is sufficient to cover the whole demand of domestic hot water during June or 60 percent of the electricity required by fridge, freezer and electronics in standby mode during the same month.The conclusion of the calculations and sensitivity analysis is that an investment in any of these systems is likely to be profitable despite the fact that many projects run over budget. The environmental gain in terms of spared carbon dioxide emissions, compared to production of district heating or grid electricity, is about 10 000 tonnes for each system and should be considered when thinking about a possible investment.Det har de senaste åren blivit allt mer uppenbart att människan har bidragit till stora delar av de klimatförändringar som skett det senaste århundrandet. En stor utmaning i dagens samhälle är att minska utsläppen och energianvändningen samtidigt som jordens befolkning ökar och utvecklingsländer industrialiseras. För att bidra till en bättre miljö har Stockholms stad satt upp som mål att bli fossilbränslefritt till år 2050. Nybyggnation av stadsdelar görs med detta mål i åtanke; energieffektiviseringar och utnyttjande av förnybara energikällor är exempel på metoder för att nå målet.Solenergi anses vara en hållbar energikälla och i Sverige används främst solfångare och solceller för att utvinna värme respektive elektricitet från solljuset. Rapporten syftar till att utreda huruvida en investering i något av dessa system skulle vara ekonomiskt försvarbart på Kvarnholmen, en stadsdel under uppbyggnad i östra Nacka, Stockholm.Endast en liten del av Kvarnholmen har färdiga ritningar varvid rapporten dels utreder möjligheterna för ett exempelfall där byggnationen redan påbörjats, Nya Kvarnen, och dels med hjälp av uppskattningar, potentialen för resten av ön baserat på den vision som sattes upp år 2005.En modell för dimensionering av solfångar- respektive solcellssystem på plana tak togs fram som utgångspunkt för de efterföljande ekonomiska kalkylerna. Den baserades på inbördes orientering av solfångarna och solcellerna, deras förväntade energiutbyte samt uppskattade behov av varmvatten och el.De ekonomiska kalkylerna visar på att både solfångare och solceller väntas vara lönsamma i de dimensioner som tagits fram. För solfångare beräknades internräntan till 6,9 procent, en totalinvesteringskostnad på 22 Mkr ger efter 25 år en vinst på 30 Mkr. Motsvarande siffror för solceller är tio procent internränta; 7,3 Mkr i investeringskostnader samt 18 Mkr i vinst efter lika lång tid. Solfångarsystemen producerar totalt 1 000 MWh värmeenergi och solcellssystemen producerar totalt 450 MWh elenergi under ett år. Den utvunna energin räcker för att täcka hela behovet av tappvarmvatten under juni månad eller 60 procent av den elektricitet som krävs för att täcka energibehovet för kyl, frys samt elektronik i standby-läge under juni månad.Slutsatsen av beräkningarna och känslighetsanalysen i rapporten är att en investering i något av dessa system troligtvis är lönsam trots att många projekt ofta blir betydligt dyrare än vad som var tänkt från början. Den miljömässiga vinsten i form av besparade koldioxidutsläpp, jämfört med produktion av fjärrvärme och elektricitet från nätet, är i storleksordningen 10 000 ton för respektive system och bör beaktas vid tankar kring en eventuell investering