Egy akkumulátorcsomag hővezető anyagának (TIM) kiválasztása előbb az alkalmasság kérdése, mint a vezetőképességé. A legmagasabb publikált W/mK értékkel rendelkező anyag ritkán nyer önmagában. A kitöltendő rés, az általa elviselt összeszerelési feszültség, hogy kell-e szigetelnie, hogyan térhálósodik, és hogyan adagol egy gyártósoron, általában többet dönt, mint az adatlapon szereplő szám. Ez az összehasonlítás egymás mellett mutatja be a fő TIM osztályokat, majd leképezi őket a cellák és a hűtőfolyadék közötti hőútvonalra egy elektromos járműben vagy energiatároló csomagban. Ez lehetővé teszi a hőmérnökök vagy termékmérnökök számára, hogy a területet a fő specifikáció helyett a korlátozások alapján szűkítsék.
Miért az interfész, és nem az adatlap besorolása határozza meg a hőutat?
A legtöbb összeszerelésben a legnagyobb hőterhelést a két tökéletlen felület közé zárt levegő okozza, nem pedig a kiválasztott ömlesztett anyag. Egyetlen megmunkált celladoboz, hideglemez vagy modulfal sem tökéletesen sík, így a valódi érintkezési felület a látszólagos felület töredéke, a fennmaradó mikroréseket pedig levegő tölti ki. A levegő rosszul vezeti a hőt, így ezek a rések dominálnak a határfelületi hőellenállásban, amíg egy alakítható anyag ki nem szorítja őket. Ez a TIM feladata. Ez az oka annak is, hogy egy közepesen vezetőképes anyag, amely nedvesít és alkalmazkodik, gyakran felülmúlja a nagy vezetőképességűt, amely áthidal, ahelyett, hogy kitöltene.
A tömeges hővezető képesség és a beépített hőellenállás nem ugyanaz, és a leggyakoribb kiválasztási hiba felcserélhetőként kezelni őket. Egy magas W/mK-re névleges ellenállást biztosító betét akkor is növelheti a szilárdságot, ha a rendelkezésre álló szorítóerő alatt nem tud behajlani a felületi profilba. Egy alacsonyabb névleges besorolású zsír vagy gél, amely egy borotvavékony, üregmentes rétegre terjed, alacsonyabb teljes ellenállást mutathat a csatlakozáson. Az a változó, amely összeköti őket, az elérhető kötési vonal: a vezetőképesség csak akkor segít, ha az anyag bezárta a bezárásra kért rést. A határfelületet a rést, a síkfelületet és a szerelési nyomást együttesen kell ellenőrizni, nem csak a vezetőképességi értéket.
A fő hővezető anyagtípusok és azok illeszkedése
A legtöbb TIM-döntés hat családra vezethető vissza, amelyek mindegyike másképp értékeli az illeszkedést, a vezetőképességet, a kezelhetőséget és az állandóságot. Az alábbi lista értelmezésének gyakorlati módja az, hogy melyik családnak kell kitöltenie a rést, és melyik összeszerelési módszernek felel meg.
Hőpaszta és paszta
A zsír és a paszta biztosítja a legvékonyabb kötési vonalat és a legalacsonyabb határfelületi ellenállást lapos, jól rögzített kötéseken, ezért ott is megmaradnak, ahol a forgács közvetlenül a feszítővasnak ütközik. A közzétett vezetőképességi értékek általában alacsony, egyszámjegyű értékek, akár nagyjából 8 W/mK-ig is terjedhetnek, a töltőanyag mennyiségétől függően. A pontos adatok termékspecifikusak, és a szállító adataiból kell kiolvasni. A kompromisszumok a folyamat és a tartósság: a paszta egyenletesen felvihető, gyakorlatilag egyszer használatos, és ismételt hőkezelési ciklusok során kiszivattyúzható vagy megszáradhat. Ez fontos egy olyan csomagnál, amely évekig használható. Tartsa fenn kis, lapos, nagy fluxusú határfelületekhez, amelyek állandó szorítóerő alatt maradnak.
Hőszigetelő párnák
A réspárnák előre vágott, összenyomható lapok, amelyek némi vezetőképességet biztosítanak a tiszta, megismételhető kezelés, és a megfelelő minőségű elektromos szigetelés érdekében. Fix, ismert résekhez illeszkednek, és könnyen elhelyezhetők, vághatók és újra megmunkálhatók. hézagpárna hővezető képessége főként a töltőanyag-rendszer határozza meg. A beszerelt érték attól is függ, hogy a betét mennyire jól illeszkedik terhelés alatt, így a névleges érték és az elért érték eltérhet. A korlát az illeszkedés: egy tömör lemez nem tudja teljesen lezárni a mikroszkopikus egyenetlenségeket, így jellemzően nagyobb határfelületi ellenállást mutat, mint a paszta ugyanazon a sík illesztésen. Terhelés alatt elegendő elhajlásra is szükség van a megfelelő illeszkedéshez. A betét vastagságát és keménységét a tűréshatárokhoz is igazítsa, ne csak a névleges réshez.
Adagolásra alkalmas réstöltők és gélek
Az adagolható réstöltők ott vívják ki helyüket, ahol a rések nagyok, változóak, vagy több, különböző magasságú alkatrész között oszlanak meg. Egy- vagy kétkomponensű folyadékként fecskendővel vagy robotfúvókával felhordva illeszkednek az egyenetlen felületekhez, és a kémiai összetételtől függően kikeményednek vagy puhák maradnak. Egyetlen adagolt gyöngy számos olyan rétegződési körülményt lefedhet, amelyeket egyetlen vastagságú betét nem képes. Az elérhető vezetőképességek széles skálán mozognak a termékek között, ezért minden egyes jelöltet a rés és a szükséges kikeményedési viselkedés alapján kell értelmezni; az osztály nem eredendően alacsony teljesítményű. A kompromisszum a folyamatszabályozás: az adagolási sebességet, a keverési arányt és a kikeményedést a gyártósorhoz kell minősíteni.
Fázisváltó anyagok
A fázisváltó anyagok (PCM-ek) kezeléskor szilárd betétként, a kötés üzemi hőmérsékletének elérése után pedig zsírként viselkednek. Szobahőmérsékleten jellemzően szilárdak, és 50–65 °C körül lágyulnak meg. Ezen a ponton felületi érdessé válnak, és zsírszerű határfelületi ellenállást érnek el a szobahőmérsékleti zavar nélkül. Azokat a határfelületeket részesítik előnyben, amelyek meghatározott hőmérséklet-emelkedést mutatnak, és az első termikus ciklus során is képesek megtartani a szorítóerőt. Korlátuk, hogy a rendeltetésszerű működéshez szükségük van erre a nyomásra és hőre, ezért kevésbé alkalmasak laza, nem befogott vagy nagy résű kötésekhez.
Hővezető ragasztók
A hővezető ragasztók szerkezeti kötést biztosítanak a hőútvonalhoz, ezért ott jelennek meg, ahol a terv azt szeretné, hogy a csatlakozási felület amellett, hogy vezeti is a hőt, kötést is biztosítson. Rögzítik az alkatrészeket, és képesek hőt és mechanikai terhelést is elviselni, gyakran jó átütési szilárdsággal. A kompromisszum az állandóság: a kikeményedett ragasztókötést nem szabad újra megmunkálni, és a réskitöltési tartománya szűkebb, mint egy adagolt töltőanyagé. Használja őket ott, ahol a terv valóban azt szeretné, hogy a csatlakozási felület kötés is legyen, és a véglegesítés előtt erősítse meg az újramunkálás és a javítás következményeit.
Hőszalagok és fóliák
A ragasztószalagok és fóliák könnyű, vékony résű munkákat is képesek elvégezni, ahol a mechanikus rögzítés kényelmetlen, a vezetőképesség helyett öntapadós, alacsony profilú rögzítést alkalmaznak. Kis alkatrészeket és hőelosztókat is tisztán rögzítenek, de vezetőképességük és réskitöltő tartományuk szerény, így inkább tartóelemként szolgálnak, mintsem elsődleges útvonalként egy nagy fluxusú cellafelülethez. A grafitfóliák hasonló esetet képviselnek, amelyeket a hő síkbeli elosztása, nem pedig a vastag rés lezárása miatt értékelnek.
A hővezető anyagok összehasonlítása a fontos változók tekintetében
Az anyagok csak akkor válnak tisztán, ha összehasonlítjuk őket az akkumulátorcsomag-illesztést ténylegesen befolyásoló változók alapján: rés, alakíthatóság, szigetelés, kikeményedés és újrafeldolgozhatóság, valamint a vezetőképesség. Az alábbi táblázat csak kiválasztási segédlet, nem pedig specifikációs lap; minden vezetőképesség-tartományt termékfüggőnek kell tekinteni, és az adatokat össze kell hasonlítani a beszállítói adatokkal.
| TIM típus | Tipikus rés | Megfelelőség | Elektromos szerep | Gyógyulás / állandóság | Átdolgozás |
|---|---|---|---|---|---|
| Zsír / paszta | Vékony, lapos | Magas (kitölti a mikroegyenetlenségeket) | Osztályspecifikus; ellenőrizze az adatlapot | Nincs; egyszer használatos | Szegény |
| Réspárna | Fix, ismert | Mérsékelt (terhelés alatt elhajlik) | Elérhető szigetelőanyagok | Nincs; kezdetben újrafelhasználható | Jó |
| Eldobható réstöltő | Nagy, változó | Magas | Formulától függő | Kúra vagy puhaság fenntartása | Korlátozott a kikeményedés után |
| Fázisváltó anyag | Vékony, meghatározott ΔT | Magasan a lágyuláspont felett | Osztályspecifikus; ellenőrizze az adatlapot | Nincs; átmeneti hőmérséklet felett lágyul | Osztályspecifikus |
| Termikus ragasztó | Vékony vagy közepesen vékony | Mérsékelt | Elérhető szigetelőanyagok | Állandó kötvény | Szegény |
| Szalag / film | Nagyon vékony | Alacsony–közepes | Osztályspecifikus | Ragasztó; félig állandó | Mérsékelt |
A táblázat olvasásakor a mozdíthatatlan kényszertől kell kiindulni. Ha a rés nagy és változó, az alakíthatóság és az adagolás kizárja a vékony pasztákat és vékony szalagokat, mielőtt a vezetőképességről egyáltalán szó lenne. Ha a csatlakozásnak el kell szigetelnie egy élő felületet egy hideg lemeztől, a szigetelés a W/mK szám elé kerül. Ha a csomagnak használhatónak kell lennie, a permanens ragasztót a ragasztási vonzerejétől függetlenül ki kell zárni.
Az illesztőanyag illesztése az akkumulátorcsomag integrációjához
Egy akkumulátorcsomagban a TIM-választás jobban követi a csomag architektúráját és az összeszerelési módszert, mint egyetlen teljesítménymutatót. A cellaformátum és a modulgeometria határozza meg a rést és a tűréshatárokat. A hengeres tömbök, a prizmás modulok és a tasakkötegek eltérő síkfelületet és résváltozási profilokat mutatnak. Az egyikre jól illeszkedő anyag áthidalhatja vagy túlzottan összenyomhatja a másikat. Ahol a cellák egy valódi, változó résszel rendelkező hideg lemez felett helyezkednek el, az eldobható réstöltők általában a lefedettség terén nyernek; ahol a meghatározott, megismételhető rés és a tiszta kezelhetőség fontosabb, ott a betétek versenyeznek. Átlós kiválasztás Trumonytechs termikus interfész anyagok ezután ugyanazok a rés- és összeszerelési korlátozások érvényesek, mint a csatlakozás hideglemez felőli oldalára.
A modulárisról a szerkezeti csomagokra való áttérés megváltoztatja, hogy melyik TIM osztályba illeszkedik, és érdemes ezt figyelembe venni a tervezés során. A cella-csomag moduláris kialakításoknál a csatlakozási pont gyakran réstöltő, míg a cella-alváz szerkezeti kialakításoknál egyre inkább az a csatlakozási pontra van szükség, hogy a cellát a teherhordó szerkezethez rögzítse. Ez a szerkezeti ragasztású TIM-ek felé mutat. Amikor a csatlakozási pont mechanikai terhelést is visel, a tapadás, a kikeményedés és az átdolgozás súlya a hővezető képesség mellett megnő, mivel az anyag már nem könnyen húzható le. Döntse el időben, hogy az architektúrájában a csatlakozási pont tisztán hőtechnikai vagy hőtechnikai plusz szerkezeti jellegű-e, mert ez a válasz kizárja a teljes anyagcsaládokat a figyelembevételből.
Az automatizálás és az áteresztőképesség önmagukban is döntési változók, nem pedig utólagos megfontolások. A kétkomponensű adagolt töltőanyagok és ragasztók alkalmasak lehetnek a mennyiségi gyártási sorokra, de keverési arányt, adagolóberendezést és kikeményedési minősítést igényelnek, amelyeket az adott termékhez és ciklusidőhöz igazítani kell. Az előre vágott betétek leegyszerűsítik a folyamatot a rés rugalmasságának rovására. A csomag közelében lévő érzékeny elektronika szintén korlátozhatja a kémiai folyamatokat, mivel a szilikon gázkipárolgása ismert probléma, és szilikonmentes A receptúrák ezt figyelembe veszik. Az anyag rögzítése előtt ellenőrizze az adagolási módszert, a kikeményedési időt és a gázkibocsátási határértékeket az összeszerelési tervvel szemben.
Hibamódok és mit kell ellenőrizni a véglegesítés előtt
A legtöbb TIM-probléma a terepen néhány olyan meghibásodási módra vezethető vissza, amelyek a kiválasztás időpontjában előre láthatók. A kiszivattyúzás, amikor egy folyékony anyag kinyomódik egy ciklikus csatlakozásból, valamint a zsírok kiszáradása vagy öregedése a klasszikus okai annak, hogy egy vékony, nagy vezetőképességű paszta évekig tartó használat során lebomlik. A szilikon migrációja szennyezheti a közeli érzékelőket vagy optikai alkatrészeket, ezért egyes tervek szilikonmentes vegyszert írnak elő. A jól tapadó, kikeményedett ragasztó megszünteti az utólagos megmunkálás lehetőségét, és ez a következmény az összeszereléskor rögzül, nem pedig a ciklusok után. Az olyan öregedési hatások, mint a zsír kiszáradása és a kiszivattyúzás, csak termikus ciklusok alatt jelentkeznek, így az első gyártási hőmérséklet-ellenőrzés nem mutatja meg őket. Az újramegmunkálhatóság elvesztése és a közeli alkatrészek szennyeződése sokkal korábban jelentkezhet.
Ellenőrizze a csatlakozási felületet a ténylegesen használt illesztéshez képest, ne egy próbapadon készült mintához képest. Erősítse meg az elérhető kötési vonalat valós szorítónyomás és a legrosszabb esetre vonatkozó rés mellett. Ellenőrizze az anyag viselkedését a csomag teljes hőmérsékleti tartományában, ne egyetlen ponton. Érvényesítse a kikeményedést és az adagolást reprezentatív hardveren, mielőtt egy gyártósorra vásárolna. Ez a cikk az anyagosztály-kiválasztással foglalkozik, és nem helyettesíti az adott rétegrend, cellaformátum és összeszerelési folyamat minősítési vizsgálatát, amelyek továbbra is a végső döntőbírák.
Az összehasonlításból választás
Az alapvető megítélés egy sorrend, nem pedig rangsor: először a rést és az összeszerelési feszültséget kell meghatározni, majd ki kell szűrni azokat az osztályokat, amelyek nem felelnek meg a szigetelési, kikeményítési vagy utólagos megmunkálási követelményeknek, és csak ezután kell összehasonlítani a hővezető képességet a túlélők között. Gyakori tévhit, hogy a legmagasabb W/mK értéket tekintik a legjobb anyagnak, míg egy alacsonyabb besorolású anyag, amely a tényleges terhelés alatt illeszkedik és bezárja a tényleges rést, alacsonyabb beépített ellenállást mutathat, miután a jobb érintkezése meghaladja a vezetőképesség-különbséget. A határfelületi anyagot a hőúthoz és a folyamathoz kell illeszteni, ellenőrizni kell a valós rés és szorítónyomás alatt, és hagyni, hogy a vezetőképesség oldja fel a kapcsolatot.
GYIK
Hézagkitöltő vagy réspárnázó modulhoz tűréshatár-összeállítással?
Egy eldobható réstöltő általában jobban illeszkedik, ha a tűréshatárok miatt a rést nagyra vagy változóra állítják a modulon belül, mivel minden egyes helyi réshez igazodik, ahelyett, hogy egyetlen névleges vastagságot tartana fenn. Egy előre vágott betét akkor versenyképes, ha a rés megismételhető és tiszta, a szennyeződésmentes kezelés fontos, és elektromos szigetelésre van szükség. Döntse el, hogy a tényleges rés mennyire változik alkatrészenként, majd erősítse meg a töltőanyag adagolását és kikeményedését, vagy a betét elhajlását a szorítóerő alatt.
Szükségem van egy elektromosan szigetelő TIM-re a cellák és a hideg lemez között?
Szigetelő TIM-re van szükség, ha az interfésznek elektromosan el kell választania egy élő cellafelületet a vezetőképes hideglemeztől. A szigetelőanyagok között szerepelnek a réspárnák, a réskitöltők és a dielektromos fóliák, némelyik UL 94 V-0 gyúlékonysági besorolással rendelkezik. Azt, hogy egy adott zsír vagy fázisváltó anyag szigetel-e, fokozatonként meg kell erősíteni, nem pedig feltételezni kell. A szigetelést a vezetőképesség előtt alkalmazott kemény szűrőként kell kezelni, és a feszültséghez szükséges dielektromos szilárdságot az adott fokozat és vastagság függvényében kell megerősíteni.
Melyik TIM alkalmas nagy, változó résmérethez, amely utólagos megmunkálást is igényel?
Egy puha, nem kikeményedő, adagolható réstöltő vagy gél a szokásos megoldás egy nagy, változó rés kitöltésére, amelynek használhatónak kell maradnia, mivel az illeszkedik a résbe anélkül, hogy állandó kötést képezne. A kikeményedett ragasztó nem megfelelő választás, mert az újrahasznosíthatóságot szerkezeti kötéssel cseréli fel. Győződjön meg arról, hogy a nem kikeményedő töltőanyag az öregítés és a hőciklusok után is újrahasznosítható marad, és hogy továbbra is megfelel-e a beépített vastagságban szükséges vezetőképességnek. Helyben kikeményedő termék esetén ellenőrizze, hogyan válik le kikeményedés után.
Hogyan kerülhetem el a kiszivattyúzást hőciklus alatt?
A kiszivattyúzást úgy kerüljük el, hogy az anyag formátumát a csatlakozás mozgásához igazítjuk, ne pedig a vezetőképesség hajszolásával. A híg zsírok a leghajlamosabbak arra, hogy kipréseljenek egy ciklikusan rögzített csatlakozási felületből. Ahelyett, hogy teljes osztályokat rangsorolnánk a tartósság alapján, vizsgáljuk meg az adott terméket a hőciklus-adatok, a csatlakozási felület mozgása, a szorító terhelés és a kötési vonal ciklusok közötti változása alapján. A gyártás előtt validáljuk a jelöltet reprezentatív hardveren a csomag hőmérsékleti és szorítótartományában, mivel a kiszivattyúzás csak ciklusok során jelentkezik.
További olvasmányok
- Hővezető anyagok (US 6 451 422 számú szabadalom) — amerikai szabadalmat kapott (US Patent and Trademark Office). Alátámasztja azt az állítást, hogy a TIM célja a bennrekedt levegő kiszorítása és a határfelületi érintkezési ellenállás csökkentése egy tökéletlen csatlakozáson keresztül.
- Széles sávú anyagokkal rendelkező hővezető határfelületek tulajdonságai — lektorált tanulmány (NCBI/PMC). Alátámasztja azt az állítást, hogy a határfelületi érintkezési ellenállás, nem pedig önmagában a térfogati névleges érték, határozza meg az elérhető hőutat.
Kapcsolódó cikkek
- Hővezető anyagok típusai és jellemzői — Bevezetés a főbb TIM-családokba és meghatározó tulajdonságaikba, amely hasznos lehet az egyik osztályt a másikkal szembeni összehasonlítás előtt.
- Hőpaszta alternatíva: Mérnöki opciók és hogyan válasszuk ki — Bemutatja, hogy mikor jobb egy betét, gél vagy réstöltő, mint a paszta, és hogyan válasszunk közülük.
- Mi az a folyékony hővezető paszta? — Elmagyarázza, hogyan áramlanak az adagolhatatlan folyékony vegyületek egyenetlen résekbe, az itt tárgyalt réstöltő osztály mögött meghúzódó viselkedést.
- Mit csinál a hővezető paszta? — Részletezi, hogyan vékonyítja el a zsír a kötési felületet egy lapos, szorított kötésen, ezt az esetet ez az összehasonlítás a paszta esetében tartja fenn.
- Mire használják a termogélt? — Lefedi azokat a területeket, ahol a puha, formálható gélek illeszkednek, kiegészítve az elhanyagolható réstöltő anyagokról szóló megbeszélést.
