A hővezető anyag ellenállása a cella és a hűtőközeg közötti hőút azon szakasza, amelyet az összeszerelési döntések szabályoznak. Egy akkumulátorcsomagban ez befolyásolja, hogy a cella által termelt hő mennyiben éri el a hűtőlemezt. Minden mechanikus csatlakozás egy cella, egy modulfal és egy hűtőszerkezet között mikroszkopikus légréseket tartalmaz. A levegő nagyjából két nagyságrenddel rosszabbul vezeti a hőt, mint egy töltött csatlakozás. A csatlakozó anyag célja, hogy helyettesítse ezt a levegőt, de soha nem szünteti meg teljesen az ellenállást; egy alacsonyabb, tervezhető ellenállással helyettesíti a szabályozatlan ellenállást.
Az akkumulátorcsomagok hő- és termékmérnökei számára a gyakorlati kérdés nem az, hogy “melyik TIM-nek a legnagyobb a vezetőképessége”, hanem az, hogy “milyen határfelületi ellenállást mutat ez a kötés az adott rés, nyomás és sík felület mellett”. Ez a cikk meghatározza a határfelületi ellenállást, elkülöníti a három mennyiséget, amelyeket az adatlapok általában elmosnak, végigvezeti azokat a változókat, amelyek ténylegesen befolyásolják a számot, és elmagyarázza, hogyan mérik az értéket. Nem foglalkozik a hűtőfolyadék-oldali ellenállással, a cellakémiával vagy az akkumulátorszintű megfutásmodellezéssel; ezek a határfelületen kívül esnek.
Mit jelent valójában a hővezető anyag ellenállása?
A határfelületi ellenállást az összeszerelt kötés rendszertulajdonságaként kell kezelni, nem pedig egy rögzített számként, amely az anyaggal együtt halad. Amikor egy TIM-et egy cella vagy modul és egy hűtőfelület közé helyezünk, a hőáramlással szembeni teljes ellenállás három részből áll: magának az anyagnak a tömegellenállása, az érintkezési ellenállás ott, ahol a TIM találkozik a felső felülettel, és az érintkezési ellenállás ott, ahol találkozik az alsó felülettel. Adjuk össze ezt a hármat, és megkapjuk azt, amit a legtöbb adatlap hőimpedanciának nevez.
A térfogati ellenállás a felvitt réteg vastagságával és az anyag hővezető képességével arányos. Egy vastagabb réteg meghosszabbítja a hő által megteendő utat, így a térfogati ellenállás a kötési vonal vastagságával nő, a vezetőképességgel pedig csökken. Ezzel szemben az érintkezési ellenállás a tökéletlen érintésből adódik: a valódi felületek érdesek és kissé nem síkok, így a tényleges érintkezési terület kisebb, mint a látszólagos terület, és a hiány a határfelületen hőmérséklet-csökkenésként jelentkezik.
A levegő az oka annak, hogy az anyag egyáltalán létezik. A levegő hővezető képessége körülbelül 0,02–0,03 W/m·K, ami jóval a konform határfelületi anyag értéke alatt van, így a csapdába esett levegő helyettesítése egy ilyen anyaggal jelentősen csökkenti a csatlakozás hővezetési ellenállását. A csere után az a határfelületi ellenállás marad vissza, amelyre tervezünk, és érdemes ezt a cellákon keresztül nyomon követni egy csomagban, mert az egyenetlen csatlakozások egyenetlen cellahőmérsékletet eredményeznek.
Hőellenállás vs. hőimpedancia vs. érintkezési ellenállás
E három fogalom összekeverése könnyen félrevezetheti a TIM (hőmérséklet-induktivitás) kiválasztását, mivel különböző mértékegységeket használnak és különböző kérdésekre adnak választ. A hővezető képesség egy belső anyagtulajdonság, független az alaktól vagy a mérettől, és W/m·K-ben fejezik ki. A hőellenállás és a hőimpedancia a geometriától függ, így csak egy adott kötést írnak le egy adott vastagság és nyomás mellett. Ha egy vezetőképességi értéket leolvasunk és feltételezzük, hogy az megjósolja a kötés teljesítményét, akkor kihagyjuk a geometria által bevezetett két érintkezési ellenállást.
| Mennyiség | Amit leír | Tipikus egység | Geometriától függ? |
|---|---|---|---|
| Hővezető képesség | Az anyag belső hővezető képessége | W/m·K | Nem |
| Hőállóság | A hőáramlással szembeni ellenállás egy meghatározott rétegen keresztül | °C/W vagy °C·cm²/W | Igen |
| Érintkezési ellenállás | Hőmérsékletcsökkenés minden TIM-felszín határon | °C·cm²/W (vagy mm²·K/W) | Igen |
| Termikus impedancia | Tömeges ellenállás plusz mindkét érintkezési ellenállás | °C·cm²/W | Igen |
A területre normalizált mértékegységek lehetővé teszik az alkatrészek azonos alapon történő összehasonlítását. Mivel a °C/W-ban kifejezett csupasz hőellenállás attól függ, hogy mekkora felület hordozza a hőt, a mérnökök általában területi hőellenállásban vagy impedanciában dolgoznak, °C·cm²/W-ban vagy azzal egyenértékű mm²·K/W-ban. Ez elhagyja a helyigényet, de csak a területváltozót távolítja el: két impedanciaadat csak akkor hasonlítható össze egyértelműen, ha a módszerük, a kötési vonaluk, a nyomásuk, a hőmérsékletük és az érintkező felületeik megegyeznek. Amikor egy beszállító egyetlen lenyűgöző vezetőképességet ad meg, de egy megadott nyomáson és vastagságon impedanciát nem, a kötés teljesítményét ellenőrizetlennek kell tekinteni, ahelyett, hogy az anyagtulajdonságból feltételeznénk.
Az interfész ellenállását befolyásoló változók
Négy változó jobban befolyásolja a határfelületi ellenállást, mint a fővezeték vezetőképessége, és mindegyikhez tartozik egy megfelelő tényező, amit ellenőrizni kell. Ez a négy változó sokkal jobban megjósolja a csomag cellahőmérsékletének egyenletességét, mint a fővezeték vezetőképességi értéke.
- Kötésvonal vastagsága (BLT). A vékonyabb kötésvonalak csökkentik a térfogati ellenállást, mivel a hő rövidebb utat tesz meg, ezért az adatlapban szereplő impedanciát mindig a mérés során használt BLT-hez viszonyítva kell leolvasni. Az elérhető minimumot a töltőanyag részecskemérete, a vetemedés és az anyag felületi topológiájának elnyelési képessége korlátozza, így a legvékonyabb működőképes kötésvonal az anyagból és a kötésből következik; nincs univerzális célérték.
- Érintkezési ellenállás és nedvesítés. Az alacsonyabb érintkezési ellenállás attól függ, hogy az anyag hogyan illeszkedik mindkét felülethez, ezért egy puha, folyadékkal adagolt gél alacsony nyomáson nedvesíthet egy érdes felületet, míg egy kemény betétnek szorítóerőre lehet szüksége ugyanezen cél eléréséhez. A megfelelőséget a szerelvény által ténylegesen alkalmazható nyomáson ellenőrizze, ne laboratóriumi nyomáson.
- Szorítónyomás és síkfelület. A nagyobb összeszerelési nyomás és a laposabb illeszkedő felületek mind a kötés levegővel töltött részét összezsugorítják, mind az érintkezési ellenállást csökkentik. Ellenőrizze a cella által elviselhető nyomást, mielőtt feltételezné a pad alacsony impedanciáját, mivel a cellák és a gyűjtősínek korlátozzák, hogy milyen erősen lehet egy kötést összenyomni.
- Töltőanyag-rendszer és szigetelési igény. A vezetőképesség a polimer vezetőképes részecskékkel, például alumínium-oxiddal, alumíniummal vagy bór-nitriddel való töltéséből származik, és a töltőanyag megválasztása befolyásolja, hogy a csatlakozásnak elektromos szigetelőnek is kell-e lennie. A bór-nitrid például a hővezetés mellett is támogatja a szigetelést, ami akkor számít, ha a határfelület dielektromos szigetelésként is szolgál egy cella és egy földelt lemez között.
Hasznos módszer a kötés leírására a termék kiválasztása előtt: a rés és annak tűréshatára, a szerelvény által kifejthető nyomás, mindkét felület sík felülete, és hogy a rétegnek szigetelnie kell-e. Ez a négy bemeneti adat jobban megjósolja a határfelületi ellenállást, mint bármely önálló anyagbesorolás, és egy vezetőképességi adatlapot a tényleges kötési becsléssé alakítanak.
TIM-ellenállás mérése az ASTM D5470 szabvány szerint
A határfelületi ellenállást méred; nem a vezetőképességből számítod ki. A standard referenciamódszer az ASTM D5470. Az ASTM D5470 állandósult állapotú módszer szerint egy mintát két műszeres mérőrúd közé szorítanak, hőt vezetnek át rajta, és a hőmérsékleti gradiensek adják a kötés hőimpedanciáját. Ugyanazon anyag több vastagságban történő futtatása és az impedancia vastagságfüggvényének ábrázolása elválasztja a két hozzájárulást: a meredekség reciproka a látszólagos hővezető képesség, a nulla vastagságnál lévő metszéspont pedig a két érintkezési ellenállás összege. Ez a metszéspont pontosan az a rész, amelyet a vezetőképesség önmagában soha nem tud megmondani.
A mérés feltételhez kötött, ezért nehéz feltételek nélküli számot használni. A közölt impedancia a vizsgálat során alkalmazott nyomás- és hőmérsékletkülönbségtől függ, így két adatlap csak akkor hasonlítható össze, ha a vizsgálati nyomás, vastagság és hőmérséklet fel van tüntetve. Az impedanciaértéket a mellette nyomtatott feltételek mellett érvényesnek kell tekinteni, és a saját szorítónyomásoddal ellenőrizd újra.
A publikált mérések képet adnak a valós határfelületi ellenállás mértékéről. Az elektromos járművek töltőbemenetének monitorozásában használt hővezető anyagokról szóló, szakértők által lektorált tanulmány nagyjából 0,1–0,17 (cm²·K)/W határfelületi érintkezési ellenállást mért a körülbelül 3,9–4,5 W/(m·K) névleges ellenállású anyagok esetében, szemben egy szélesebb, közel 0,01–0,1 (cm²·K)/W közötti tartománnyal. A csomagolási munkára vonatkozó következtetés nem a pontos számok, hanem a minta: az érintkezési ellenállás a teljes érték jelentős részét teszi ki, és a magasabb térfogati vezetőképesség önmagában nem jelent alacsonyabb érintkezési ellenállást – ezt ugyanazon a felületen, kötési vonalon, hőmérsékleten és szorítónyomáson kell mérni.
Az akkumulátorcsomag hőútjainak interfész ellenállása
Egy akkumulátorcsomagban a határfelületi ellenállás felemésztheti a hőtartalékot a cella és a hűtőfolyadék közötti útvonalon, ezért a TIM formátumnak a csatlakozást kell követnie, nem pedig a célzott vezetőképességet. A hengeres, prizmás és tasakos formátumok eltérő réseket, síkfelületet és összeszerelési feszültségeket mutatnak a hideglapon. A határfelületi anyagnak minden cellán keresztül alacsony ellenállást kell tartania, hogy a leghidegebb és legmelegebb cellák közel maradjanak egymáshoz. Az anyagnak a réshez és a cellák által felvehető nyomáshoz való illesztése az a döntés, amely biztosítja a határfelületi ellenállás egyenletességét, és itt jön létre a Trumonytechs által illesztett... TIM-megoldások és a hűtőkomponensek illeszkednek a cella-hűtőfolyadék kialakításhoz.
A formai tényezők megválasztása kiszámítható módon követi az interfész viselkedését. Egy alakítható réstöltő anyag változó vagy nagyobb résekhez illeszkedik, és nagy szorítóerő nélkül tolerálja a cellák közötti tűréshatárokat; egy vékonyabb párna vagy fázisváltó réteg lapos, jól szabályozott illesztésekhez illik, ahol az alacsony BLT csökkenti az impedanciát; egy hővezető gél alacsony nyomáson kitölti az egyenetlen felületeket; és egy szerkezeti ragasztó kötést biztosít, amikor a csatlakozásnak terhelést és hőt is kell hordoznia. Ahol az illesztésnek elektromosan is el kell szigetelnie a cellát, a töltőanyagot és a vastagságot az ellenállás mellett a dielektromos szilárdság szempontjából választják meg; ha a szükséges dielektromos szilárdság eléréséhez nagyobb vastagságra van szükség, az növeli az ellenállás nagy részét.
A tartósság ugyanebbe a döntésbe tartozik. Egy alacsony ellenállással induló kötés felfelé csúszhat, ha az anyag a hőöregítés után nyomódeformációt vesz fel, vagy hőciklusok alatt elhúzódik, ezért az öregítés utáni megtartott vastagság és impedancia érvényesítése ugyanolyan fontos, mint a kezdeti névleges érték. Az öregített, és nem a friss állapot szerinti specifikáció az az ipari szokás, amely a határfelületi ellenállást a csomag élettartama alatt korrektül tartja.
Következtetés
Vigyünk magunkkal egy gondolatot: a hővezető felület anyagának ellenállása egy olyan csatlakozási tulajdonság, amely a térfogati ellenállásból és két érintkezési ellenállásból épül fel, így a magas vezetőképességi érték önmagában soha nem jósolja meg, hogyan fog viselkedni egy cella-hűtőfolyadék csatlakozás. Válassza szét a mennyiségeket, olvassa le az impedanciát a megadott kötési vonalon és nyomáson, és méretezze az anyagot az adott csatlakozás réséhez, síkfelületéhez, összeszerelési feszültségéhez és szigetelési igényéhez. A leggyakrabban figyelmen kívül hagyott pont az érintkezési ellenállás metszéspontja: egy vezetőképesebb anyag önmagában nem csökkenti azt, mert a nedvesítés, a keménység, a felületi konformitás és a nyomás határozza meg ezt a határt. Tehát újra kell mérni, valahányszor az anyag vagy a csatlakozás megváltozik, és egy csomagban ez az, ami a páros cellakészletet egyenetlenné teheti. Ellenőrizze az impedanciát a saját szorítónyomásán, és hőöregítés után ellenőrizze újra a teljes cella-hűtőfolyadék határon, így sokkal kisebb a valószínűsége, hogy a csatlakozás a hőút gyenge láncszeme marad.
GYIK
Milyen kötési vonal vastagság biztosítja a legalacsonyabb hőállóságot egy réstöltő anyag esetében?
Nincs egyetlen optimális kötési vonalvastagság a réstöltő anyag esetében. A vékonyabb kötési vonal csökkenti az ellenállás nagy részét egy adott anyag esetében, de az elérhető minimumot a rés és annak tűrése, a töltőanyag szemcsemérete, a felület topológiája és a szerelvény által alkalmazható szorítóerő határozza meg – és csak akkor segít, ha az anyag ebben a vastagságban is teljesen nedvesíti mindkét felületet. Adja meg a legvékonyabb kötési vonalat, amely ezeken a határokon belül marad, ahelyett, hogy egy fix számot adna meg.
Hőellenállás vagy hőimpedancia: melyiket kell összehasonlítanom TIM kiválasztásakor?
Hasonlítsa össze a hőimpedanciát egy adott kötési vonalon és nyomáson, mivel az magában foglalja mind a testellenállást, mind a két érintkezési ellenállást, amelyeket a vezetőképességi vagy testellenállási érték kihagy. Használjon területre normalizált mértékegységeket, °C·cm²/W vagy mm²·K/W, az alapterületbeli különbségek eltávolításához, és továbbra is csak az összehasonlítható kötési vonalon, nyomáson és hőmérsékleten mért értékeket hasonlítsa össze, mivel a normalizálás nem törli ezeket a változókat.
Hogyan csökkenthetem az érintkezési ellenállást a szorítóerő növelése nélkül?
Egy idomosabb anyag, például egy adagoló gél vagy egy puhább réstöltő anyag kiválasztása csökkenti az érintkezési ellenállást azáltal, hogy nedvesíti az érdes felületeket anélkül, hogy extra szorítóerőt okozna. Mindkét illeszkedő felület síkságának javítása a kötés levegővel töltött részének zsugorodásához is vezet, ami csökkenti az érintkezési ellenállást anélkül, hogy növelné a szorítóerőt.
Hogyan mérik a TIM hőellenállását?
A hőellenállást az ASTM D5470 szabvány szerinti állandósult állapotú módszerrel mérik, amely a mintát műszeres rudak közé szorítja, és az impedanciát a hőmérsékleti gradiensből származtatja. Több vastagság vizsgálata és az impedancia vastagságfüggvényben történő ábrázolása a meredekségből a látszólagos vezetőképességet, a nulla vastagságú metszéspontból pedig az kombinált érintkezési ellenállást adja.
További olvasmányok
- Elektromos járművek töltőaljzataiban használt hővezető anyagok érintkezési ellenállásának meghatározása — szakmailag lektorált tanulmány (MDPI Sensors). Alátámasztja a mért érintkezési ellenállási tartományokat és azt az állítást, hogy az érintkezési ellenállás a teljes interfész ellenállás jelentős részét teszi ki.
- Termikus impedancia vs. hővezető képesség — műszaki referencia. Elmagyarázza az ASTM D5470 impedancia-vastagság módszert, és azt, hogy miért nem a vezetőképesség önmagában írja le a kötést.
Kapcsolódó cikkek
- Mit csinál a hővezető paszta? — Bemutatja, hogyan tölti ki a hővezető paszta a mikroszkopikus üregeket a chip és a hűtő közötti határfelületen a hőellenállás csökkentése érdekében, valamint hogyan befolyásolja a szorítóerő és a síkfelület a lefedettséget.
- Mi az a szilikon hővezető paszta? Felhasználás és főbb tényezők — Elmagyarázza, hogyan töltik ki a szilikonvegyületek vezetőképes töltőanyagai a felületi réseket a hőállóság csökkentése érdekében, útmutatást adva a használatukhoz.
- Hővezető anyagok típusai és jellemzői — Összehasonlítja a TIM-típusokat, például a pasztákat, párnákat, fázisváltó fóliákat és réstöltőket, valamint azokat a jellemzőket, amelyek meghatározzák mindegyikük határfelületi viselkedését.
- Útmutató a termikus határfelületi anyagokhoz — Bevezetés a TIM-ekbe, a főbb anyagtípusokba és a jobb hőátadás érdekében a TIM kiválasztását vezérlő tényezőkbe.
- Innovációk a TIM-ekben az elektronika fokozott hőkezelése érdekében — Áttekinti az újabb TIM fejlesztéseket és azt, hogy ezek hogyan javítják a hőátadást a forró alkatrészek és a hűtőbordák között.
