A teljesítményelektronikai alkalmazásokban használt hővezető anyagok a teljesítmény-félvezető és annak hűtőbordája vagy hűtőlemeze közötti tökéletlen érintkezésen keresztül vezetik a hőt. Az egyik kiválasztása rendszerdöntés, nem pedig az adatlapon szereplő legmagasabb szám keresése. Két, látszólag lapos alapfelület csak kis területen érintkezik. A fennmaradó résekbe zárt levegő rosszul vezeti a hőt, körülbelül 0,025 W/m·K-on, ezért valami jobbnak kell kiszorítania. Egy nagy teljesítményű elektronikai eszközökről szóló lektorált áttekintés 150–200 W/cm² nagyságrendű állandósult hőáramról és 400 W/cm² feletti impulzusos tranziensekről számol be. Ezeknél a fluxusoknál egy vékony, rosszul illeszkedő határfelület dominálhatja a hőmérséklet-emelkedést, még akkor is, ha minden más réteg jól megtervezett. Az alábbi szakaszok azt tárgyalják, hogy mit csinál a határfelület, miért vezet félre a vezetőképesség önmagában, milyen anyagcsaládok állnak rendelkezésre, és hogyan döntik el a választ a rés, a szigetelés, a kikeményedés és az összeszerelési módszer.
Mit csinál egy hővezető anyag egy teljesítményelektronikai kötegben?
A hővezető anyag az egyetlen réteget foglalja el a tápegység modulok összeszerelésében, amelyet nem a fizika, hanem az összeszerelés hagy szabadon szabályozni. A hő elhagyja a chipet, áthalad a chiprögzítőn, az aljzaton (gyakran egy közvetlenül kötött rézrétegen) és az alaplapon, majd átjut a hűtőbordába vagy a folyékony hűtőlemezbe. Ezen rétegek mindegyikének rögzített anyaga és geometriája van a modul összeszerelése után. Az alaplap és a hűtő közötti csatlakozás más: összeszereléskor töltik ki, és az ellenállása attól függ, hogy mennyire jól van kitöltve ez a kitöltés. Mivel változó és gyakran rosszul szabályozott, ez a csatlakozás gyakran hozzájárul a teljes hőúthoz. Az, hogy mekkora mértékben járul hozzá, az adott modultól függ, ezért a feltételezés helyett méréssel ellenőrizzük.
Az interfész azért fontos, mert az érintkezési ellenállás a ténylegesen elért fém-fém felülettel arányos, míg a megmunkált felületek esetében ez alig van így. A felületi érdesség, a forrasztásból eredő vetemedés és a rögzítési minta mind mikroszkopikus és makroszkopikus üregeket hagynak. A TIM kitölti ezeket az üregeket, így a hő a szilárd anyagon keresztül vezet, ahelyett, hogy a levegőben megállna. Ugyanaz a teljesítménymodul ezután mérhetően hidegebb vagy melegebb hőmérsékleten működhet attól függően, hogy mi tölti ki a rést, és hogyan került a helyére. A saját áramköri lapkádra vonatkozó hatás mértékét a ház vagy az átmenet hőmérsékletének terhelés alatti mérésével ellenőrizheted.
Miért nem csökkenti a magasabb vezetőképesség önmagában a csatlakozási hőmérsékletet?
A legmagasabb hővezető képesség elérésének hajszolása gyakori módja a túlköltekezésnek, és a hőmérsékleti cél elérésének elmulasztásának. A csatlakozási pontig elért szám a teljes csatlakozás hőellenállása. Ez az ellenállás legalább annyira függ a kötési vonal vastagságától és az érintkezési ellenállástól, mint az anyag vezetőképességétől. A túl vastagon felvitt, nagy vezetőképességű paszta veszíthet egy jól felhasznált, közepesen erős anyaggal szemben, akárcsak egy merev betét, amely nem alkalmazkodik a rendelkezésre álló szorítóerőhöz.
A kötési vonal vastagsága egy olyan tényező, amelyet könnyű figyelmen kívül hagyni. A zsírok nyomás alatt akár több tíz mikronra is összenyomódhatnak. Egy réspárnának gyakran többszörösen vastagnak kell maradnia, hogy áthidalja az egyenetlen határfelületet, és az ellenállás nagyjából ezzel a vastagsággal nő. Nagy teljesítményű modulok esetén gyakori cél az alacsony kötési ellenállás, amelyet gyakran 1,0 K·cm²/W alatti értéknek neveznek. Ezt az állapottól függő értékként kezeljük, nem pedig szabványként. Ezt úgy érhetjük el, hogy az anyag illesztési képességét és alkalmazását a valós réshez igazítjuk, nem pedig a polcon található legnagyobb W/m·K érték leolvasásával. Ellenőrizze az eredményt beépített ellenállásként vagy terhelés alatt mért házhőmérsékletként, mivel az elszigetelten megadott térfogati vezetőképesség nem jósolja meg, hogy mit biztosít az összeszerelés.
TIM családok használata az erőelektronikában és azok kompromisszumai
Minden TIM-család a hőteljesítményt a réstűréssel, az elektromos viselkedéssel és az újrafeldolgozhatóságtal cseréli fel. Ezért a megfelelő család a határfelületből következik, mielőtt a vezetőképességi specifikációból következne. típusok és jellemzők annyira átfedik egymást, hogy a rés és az összeszerelés általában dönt a választásban, nem pedig a fővezeték vezetőképessége. A táblázat tipikus, állapotfüggő tartományokat tartalmaz a családok összehasonlítására a döntést befolyásoló méretek alapján.
| TIM család | Térfogatvezető képesség (W/m·K) | Hőáramlás iránya | Tipikus kötési vonal / rés | Elektromos szigetelő? | Átdolgozható? | Legjobb illeszkedés az erősáramú elektronikába |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Hőpaszta / hővezető paszta | ~2–10 (magasabb fokozatú, kiemelt) | Átmenő sík | Több tíz mikron nyomás alatt | Osztályfüggő | Korlátozott; rendetlen, kiszivattyúzási kockázat | Lapos, jól rögzített modul-hideglemez illesztések |
| Réspárna | ~1–5 | Átmenő sík | mm-től néhány mm-ig terjedő töredékek | Elérhető szigetelőanyagok | Igen | Egyenetlen rések, alacsonyabb összeszerelési nyomás |
| Fázisváltó anyag | Osztályfüggő | Átmenő sík | Vékony, önterülő az átmenet felett | Osztályfüggő | Félig állandó | Nagy teljesítményű lapos illesztések, amelyek alacsony, ismételhető ellenállást igényelnek |
| Hézagkitöltő (adagolt) | ~1–4 | Átmenő sík | Illeszkedik a résnek | Osztályfüggő | Korlátozott a kikeményedés után | Nagy vagy egyenetlen tűrések |
| Hővezető ragasztó | ~1–4 (magasabb szakterületi jegyek) | Átmenő sík | Vékony vagy közepesen vékony | Osztályfüggő | Nincs szerkezeti kötés | Amikor szerkezeti ragasztásra van szükség |
| Grafit / szén film | Magasan síkban; alacsonyabban átmenő síkban | Síkban történő szórás | Nagyon vékony | Gyakran elektromosan vezető | Mérsékelt | Vékony, lapos ízületek, ahol az oldalirányú szétterülés segít |
A beépített kötés ellenállása az a mérőszám, amely meghatározza a csatlakozási hőmérsékletet. A publikált értékek nem egységes alapon kerülnek közzétételre ezekben a termékcsaládokban, ezért a vezetőképesség oszlopot nagyságrendi útmutatóként kell tekinteni, és a beépített ellenállást kell megerősíteni. A zsírok és fázisváltó anyagok lapos, szorosan rögzített felületekhez illeszkednek, ahol vékony kötési vonalat érnek el, és terhelés alatt alacsony ellenállást tartanak fenn. A betétek és az adagoló réstöltők ott találják helyüket, ahol a rés nagyobb vagy egyenetlen, és a szorítóerő korlátozott. Bizonyos vezetőképességet cserélnek a rugalmasságra, hogy kitöltsék a rést a modul terhelése nélkül. A ragasztós stílusú anyagok szerkezeti kötést vagy rezgéstűrést biztosítanak ott, ahol a kötésnek terhelést kell viselnie, az újrafeldolgozhatóság rovására.
TIM illesztése az interfészhez: rés, síkfelület, összeszerelési feszültség és automatizálás
A kiválasztást a csatlakozási felület résével és síkfelületével kell kezdeni. Ezek határozzák meg az anyag által igényelt illesztési igényt, mielőtt érdemes lenne összehasonlítani a vezetőképességet. Egy néhány tíz mikronon belül tartott és erősen rögzített illesztéshez vékony zsír- vagy fázisváltó film illik. Egy vetemedett alaplaphoz vagy egy laza tűrésű réteghez réspárnára vagy adagolt réstöltőre van szükség, amely nagy nyomás nélkül illeszkedik. A tényleges rést és annak változását mérjük a lenyomat mentén, ne a névleges tervezési értéket, mert ez a mérés gyakran megváltoztatja a választ.
Az összeszerelési feszültség csendben kizárhatja az egyébként jó anyagokat. Egy merev, nagy vezetőképességű pad képes erőt átadni egy nagyméretű SiC vagy IGBT modulon keresztül. Az, hogy ez az erő elegendő-e az aljzat meghajlításához vagy a forrasztási kötések kifárasztásához a hőciklusok során, a modul felépítésétől és a bilincs kialakításától függ. Kérjen nyomás-elmozdulás adatokat a szállítótól, és mérlegelje azokat azzal az erővel szemben, amelyet a mechanikai terv valójában képes alkalmazni. A megfelelő opció néha a megbízhatóbb, még alacsonyabb vezetőképesség esetén is.
Az automatizálási módszer dönti el, hogy mely anyagok maradnak ismételhetőek nagy mennyiségben. Az adagolt réstöltők és a sablonnal nyomtatott zsírok alkalmasak az automatizált gyártósorokra, és egységenként szabályozzák a kötési vonalat. A kézzel felvitt betétek ezt a szabályozást egyszerűbb szerszámozás érdekében elengedik. Egy olyan anyag, amelyet egy technikus jól kézzel felhord, jobban változhat, ha gyártási mennyiségben alkalmazzák, ezért a felviteli módszert egységenkénti kötési vonal vagy ellenállás adatokkal kell minősíteni, mielőtt véglegesítenénk. Amikor a határfelület, a rés, a szigetelés és a folyamat mind szerepel az asztalon, akkor ezen korlátozások rangsorolása teszi a kiválasztást védhetővé, nem pedig a vezetőképesség szerinti rendezés.
Elektromos szigetelés, kikeményedés és megbízhatóság hőciklusok alatt
Először is döntsd el az interfész elektromos szerepét, mivel ez akár egész anyagcsaládokat is kiküszöbölhet. Amennyiben a TIM egy élő alaplap és egy földelt hűtő között helyezkedik el, és szigetelést biztosít, akkor elektromosan szigetelőnek kell lennie, tartalékkal. A szigetelési osztályok általában több kV/mm dielektromos szilárdságra vannak méretezve. A használható érték az adott terméktől és vastagságtól függ, ezért erősítse meg az adatlapon. Amennyiben a szigetelést a köteg más részén kezelik, elektromosan vezető lehetőségek, például fémmel töltött vagy grafit anyagok nyílnak meg. A tervezési probléma ekkor az, hogy távol tartsuk őket a közeli vezetékektől.
A kikeményedési és kötési viselkedés határozza meg, hogy a kötés használható-e. A nem kikeményedő zsírok, gélek és párnák lehetővé teszik a modul újrafeldolgozását vagy cseréjét. A hővezető ragasztó olyan szerkezeti kötéssel köt meg, amely ellenáll a rezgésnek, de általában nem újradolgozható a kötés károsodása nélkül, a ragasztótól függően. Csak akkor válasszon kikeményedő anyagot, ha a kötés elengedhetetlen, mert megváltoztatja a javítást, a garanciális kezelést és a gyártósori újrafeldolgozást.
A hőciklusokkal szembeni megbízhatóság az, ahol egy jó, első mérés is meghibásodhat az üzem során. A zsírok kiszivattyúzódhatnak és kiszáradhatnak, mivel az ismételt tágulás és összehúzódás miatt az anyag kimozdul a kötésből. A betétek összenyomódási alakváltozást vehetnek fel, és az eltérő hőtágulási együtthatók delaminációt vagy üregeket okozhatnak, amelyek idővel növelik az ellenállást. Ezek megjelenésének sebessége az anyag kémiájától, a szorítónyomástól, a kötési vonaltól, valamint az alkatrész által érzékelt hőmérsékleti tartománytól és ciklusprofiltól függ, ezért a minősítéshez kockázatként, ne pedig bizonyosságként kezelje őket. Az ASTM D5470 szabvány közös alapot ad az állandósult állapotú hőátadás és hőellenállás mérésére meghatározott körülmények között. Nem reprodukálja az öregedést, ezért párosítsa kiszivattyúzó és hőciklus-adatokkal az erősáramú elektronika által ténylegesen érzékelt hőmérsékletek meghatározásához.
TIM-ek alkalmazása a cellától a hűtőfolyadékig tartó útvonalon elektromos és ESS csomagokban
Egy elektromos jármű vagy elektromos jármű csomagban egy TIM több hőútvonalban is megjelenik, és ezek az útvonalak nem alkotnak egyetlen soros láncot. A cellák a saját interfészükön keresztül vezetik le a hőt egy hideglemezre vagy hűtőszerkezetre: celláról TIM-re, majd hideglemezre. A teljesítményelektronika egy külön útvonalat alkot, ahol a félvezető átmenet a hőt a tokozásán és az alaplemezén keresztül, egy TIM-en keresztül, majd egy hűtőbordába vagy hideglemezbe mozgatja. A vontatási inverter és annak IGBT vagy SiC moduljai nem kötelező réteget alkotnak a cellák és a hűtőfolyadék között. Ezek párhuzamos terhelést képeznek ugyanazon a hűtőarchitektúrán. Jól megválasztva mindkét interfész a csomag kitöltési tényezője alatt a költségvetésen belül tartja a saját útvonalának ellenállását.
Az illesztőfelület formája helyszínenként eltérő, ezért ahelyett, hogy feltételeznénk, érdemes a tényleges csomagolás és rögzítés alapján ellenőrizni. A mereven rögzített teljesítménymodul alaplapok lapos, jól szabályozott illesztéseket eredményezhetnek, ahol egy vékony zsír- vagy fázisváltó film kerül beépítésre. Az akkumulátoroldali elektronikai és vezérlőkártyák gyakrabban mutatnak egyenetlen réseket, amelyek alkalmasak az összenyomható réstöltők és párnák használatára, de a síkfelületet, a rögzítést és a rést a valódi szerelvényen kell ellenőrizni. Az egyes illesztőfelületek hűtőhöz való illesztése mutatja meg a csomag szintű eredményt, mivel a legjobban megmunkált hűtőlap vész kárba, ha a hozzá tartozó illesztés vastag vagy üreges. Az Trumonytechs hővezető illesztőanyagokat és illesztett folyékony hűtőlapokat fejleszt akkumulátorcsomagok és teljesítményelektronikai eszközök hűtéséhez; Fedezze fel TIM megoldásainkat hogy egy réstöltőt, párnát vagy adagolt anyagot párosítson a hozzá tartozó hűtőkomponenssel. Ugyanez a fegyelem érvényes minden olyan helyre, ahol a teljesítményelektronika található, a jármű inverterétől kezdve a energiatároló akkumulátorcsomagok adatközpontokban, ahol a kitöltési tényező és a résváltozás jobban meghatározza az anyagot, mint bármely önálló vezetőképességi érték.
Következtetés
A csatlakozófelületnek, nem pedig az adatlapnak kell eldöntenie a teljesítményelektronikai eszközök hővezető illesztőfelületének anyagát. Mielőtt bármit is kiválasztana, négy korlátot kell meghatároznia: a rést és annak változását, a mechanikai kialakítás által megengedett szorítóerőt, hogy a csatlakozásnak szigetelnie kell-e, és hogy üzemképesnek kell-e maradnia. Hagyja, hogy ezek szűkítsék a családot, majd a vezetőképesség oldja fel a problémát. A magas W/m·K érték célként való kezelése a csapda, mivel a kötési vonal vastagsága, az érintkezési ellenállás és a ciklikus viselkedés az, amit a csatlakozás valójában érez. Erősítse meg a választást a beépített ellenállás vagy a ház hőmérséklete alapján valós terhelés alatt. Végül minősítse a zsírokat a csomag élettartama alatti kiszivattyúzásra egy meghatározott ciklusszám, hőmérsékleti tartomány, szorítási feltétel és meghibásodási kritérium alapján, ne egy általános élettartam-szám alapján.
GYIK
Szükségem van hővezető párnára vagy hővezető pasztára egy IGBT modulhoz?
A választást a csatlakozáshoz igazítsa, ne a modul nevéhez. A hővezető paszta lapos, szorosan rögzített IGBT alaplaphoz illik, mert egy vékony kötési vonalat ér el. A hővezető pad egyenetlen résekhez vagy korlátozott szorítóerővel rendelkező kialakításokhoz illik. A zsír alacsonyabb ellenállást biztosít, amikor az illesztés együttműködik; a pad némi vezetőképességet cserél a rugalmasság és a könnyebb, megismételhetőbb elhelyezés érdekében.
Milyen hővezető képességre van szükségem egy SiC teljesítménymodulhoz?
A cél egy alacsony beépített illesztési ellenállás, nem pedig egyetlen vezetőképességi szám, mivel a kötési vonal vastagsága és az érintkezési ellenállás gyakran fontosabb. Nagy teljesítményű modulok esetén az 1,0 K·cm²/W alatti illesztési ellenállás gyakori cél. Ez egy állapotfüggő cél, amelyet az anyag rugalmasságának és alkalmazásának a valós réshez való illesztésével lehet elérni, nem pedig a polcon kapható legmagasabb W/m·K érték megvásárlásával.
Használhatok fázisváltó anyagot zsír helyett nagy teljesítményű moduloknál?
Gyakran igen. A fázisváltó anyagokat gyakran választják nagy szilárdságú, lapos kötésekhez, mivel átmeneti hőmérsékletük felett meglágyulnak, és vékony, alacsony ellenállású kötési vonalat képeznek. Ahol a kézzel felvitt zsír egységenként változik, egy fázisváltó film következetesebb kötési vonalat tud tartani, bár ezt a saját termékére és folyamatára vonatkozóan kell megerősítenie. A kompromisszum az, hogy a film félig állandó, és a működéshez lapos, jól rögzített felületre van szükség.
Milyen vastagnak kell lennie a hővezető felület kötési vonalának?
Törekedjen a lehető legvékonyabb kötési vonalra, miközben kitölti az összes üreget, mivel az ellenállás a vastagsággal növekszik. A zsírok és a fázisváltó filmek nyomás alatt tíz mikronokat is elérhetnek egy lapos illesztésen, míg egy egyenetlen rés vastagabb párnát vagy réstöltőt kényszerít ki. A névleges érték helyett mérje meg a tényleges rést a lenyomat mentén.
Elektromosan szigetelőnek kell lennie egy teljesítményelektronikai TIM-nek?
Csak akkor kell szigetelőnek lennie, dielektromos tartalékkal az alkalmazott feszültség és vastagság függvényében, ha maga az interfész szigetelést biztosít az élő alaplap és a földelt hűtő között. Ahol a szigetelést a köteg más részén oldják meg, az elektromosan vezető anyagok jöhetnek szóba, de a tervezésnek ilyenkor távol kell tartania őket a szomszédos vezetőktől.
További olvasmányok
- A nagy teljesítményű elektronika hőkezeléséhez szükséges hővezető anyagok terén elért legújabb eredmények — lektorált értékelés (Micromachines, NCBI PMC-n keresztül). Támogatja a fenti anyagkompromisszumok keretezéséhez használt nagy teljesítményű hőáram-adatokat és a vezetőképesség-tartományokat.
- A fejlett TIM-ek segítenek leküzdeni a teljesítménysűrűségből adódó hőkihívásokat — ipari műszaki média (elektronikai tervezés). Háttérinformációk arról, hogyan kezelik a hővezető anyagok a modern teljesítményelektronikai modulok növekvő teljesítménysűrűségét.
