Thermische interfacematerialen voor vermogenselektronica transporteren warmte over het imperfecte contact tussen een vermogenshalfgeleider en de koelplaat. De keuze voor een geschikt materiaal is een systeembeslissing, geen zoektocht naar de hoogste waarde op een datasheet. Twee geslepen oppervlakken die er vlak uitzien, raken elkaar slechts over een klein deel van hun oppervlak. De lucht die in de resterende openingen is opgesloten, geleidt slecht, met een geleidbaarheid van ongeveer 0,025 W/m·K, dus er moet iets beters zijn om die lucht te verdringen. Een peer-reviewed onderzoek naar hoogvermogenselektronica rapporteert stationaire warmtefluxen van ongeveer 150-200 W/cm² en gepulseerde transiënten van meer dan 400 W/cm². Bij dergelijke fluxen kan een dunne, slecht passende interface de temperatuurstijging domineren, zelfs wanneer elke andere laag goed is ontworpen. De volgende paragrafen behandelen de functie van de interface, waarom geleidbaarheid alleen misleidend is, welke materiaalfamilies beschikbaar zijn en hoe de opening, isolatie, uitharding en assemblagemethode de doorslaggevende factor zijn.
Wat doet een thermisch geleidend materiaal in een vermogenselektronica-stack?
Een thermisch geleidend materiaal vormt de enige laag in een vermogensmodule die, in plaats van natuurkundige principes, door de assemblage zelf te bepalen is. Warmte verlaat de chip en gaat via de chipbevestiging, het substraat (vaak een direct gebonden koperlaag) en de basisplaat naar de koelplaat of vloeistofkoeler. Elk van deze lagen heeft een vast materiaal en een vaste geometrie zodra de module is gebouwd. De verbinding tussen de basisplaat en de koeler is anders: deze wordt tijdens de assemblage gevuld en de weerstand ervan hangt af van hoe goed die vulling is uitgevoerd. Omdat deze verbinding variabel is en vaak slecht te controleren, draagt deze vaak bij aan het totale warmtepad. Hoe groot deze bijdrage is, hangt af van de specifieke module, dus controleer dit door middel van metingen in plaats van aannames te doen.
De interface is belangrijk omdat de contactweerstand evenredig is met de hoeveelheid echt metaal-op-metaal contactoppervlak, en machinaal bewerkte oppervlakken bieden daar weinig van. Oppervlakteruwheid, kromtrekking door solderen en het klempatroon laten allemaal microscopische en macroscopische holtes achter. Een thermisch geleidend materiaal (TIM) vult deze holtes op, waardoor warmte door het vaste materiaal geleid wordt in plaats van in de lucht te blijven hangen. Dezelfde vermogensmodule kan vervolgens meetbaar koeler of warmer werken, afhankelijk van wat die holte opvult en hoe het is aangebracht. Bevestig de omvang van dit effect voor uw eigen stack door de temperatuur van de behuizing of de junctie onder belasting te meten.
Waarom een hogere geleidbaarheid alleen de junctietemperatuur niet verlaagt
Het nastreven van de hoogste thermische geleidbaarheid is een veelvoorkomende manier om te veel geld uit te geven en toch de gewenste temperatuur niet te halen. De waarde die de verbinding bereikt, is de thermische weerstand over de gehele verbinding. Die weerstand hangt minstens evenveel af van de dikte van de lijmlaag en de contactweerstand als van de geleidbaarheid van het materiaal. Een te dik aangebrachte pasta met een hoge geleidbaarheid kan het afleggen tegen een materiaal met een lagere geleidbaarheid dat goed is aangebracht, en hetzelfde geldt voor een stijf kussen dat zich niet aanpast aan de beschikbare klemkracht.
De dikte van de verbindingslaag is een factor die gemakkelijk over het hoofd wordt gezien. Vetten kunnen onder druk tot tientallen microns worden geperst. Een tussenlaag moet vaak vele malen dikker zijn om een oneffen interface te overbruggen, en de weerstand neemt ruwweg toe met die dikte. Voor modules met een hoog vermogen is een lage verbindingsweerstand een veelvoorkomend doel, vaak aangegeven als minder dan ongeveer 1,0 K·cm²/W. Beschouw dit als een waarde die afhankelijk is van de omstandigheden, niet als een standaard. Je bereikt deze waarde door de flexibiliteit en toepassing van het materiaal af te stemmen op de werkelijke opening, niet door de hoogste W/m·K-waarde in de winkel te lezen. Controleer het resultaat als geïnstalleerde weerstand of gemeten behuizingstemperatuur onder belasting, omdat de bulkgeleidbaarheid die op zichzelf wordt vermeld, niet voorspelt wat de assemblage levert.
TIM-families die in vermogenselektronica worden gebruikt en hun afwegingen
Elke TIM-familie biedt een afweging tussen thermische prestaties, spleettolerantie, elektrisch gedrag en herwerkbaarheid. Daarom wordt de juiste familie gekozen op basis van de interface, en niet zozeer op basis van een geleidbaarheidsspecificatie. typen en kenmerken Er is voldoende overlap, waardoor de keuze meestal afhangt van de opening en de samenstelling, en niet zozeer van de geleidbaarheid op zich. De tabel geeft typische, afhankelijk van de omstandigheden, bereiken voor het vergelijken van families op basis van de dimensies die de beslissing bepalen.
| TIM-familie | Volumegeleidbaarheid (W/m·K) | Warmtestroomrichting | Typische verbindingslijn/opening | Elektrisch isolerend? | Herwerkbaar? | Het meest geschikt voor vermogenselektronica. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Thermische pasta/vet | ~2–10 (hogere cijfers) | Dwars door het vlak | Tientallen micrometers onder druk | Afhankelijk van de graad | Beperkt; rommelig, risico op lekkage | Vlakke, goed vastgeklemdde verbindingen tussen module en koelplaat. |
| Gap pad | ~1–5 | Dwars door het vlak | Van fracties van een millimeter tot enkele millimeters | Beschikbare isolatiekwaliteiten | Ja | Ongelijkmatige spelingen, lagere montagedruk |
| Faseveranderingsmateriaal | Afhankelijk van de graad | Dwars door het vlak | Dun, zelfnivellerend boven de overgang | Afhankelijk van de graad | Semi-permanent | Krachtige platte verbindingen die een lage, herhaalbare weerstand vereisen. |
| Gatenvuller (verstuifd) | ~1–4 | Dwars door het vlak | Past zich aan de opening aan | Afhankelijk van de graad | Beperkt na genezing | Grote of ongelijke toleranties |
| Thermisch geleidende lijm | ~1–4 (specialisatieniveaus hoger) | Dwars door het vlak | Dun tot matig | Afhankelijk van de graad | Nee — structurele binding | Wanneer structurele verlijming vereist is |
| Grafiet-/koolstoffilm | Hoge weerstand in het vlak; lagere weerstand loodrecht op het vlak | Spreiding in het vlak | Heel dun | Vaak elektrisch geleidend | Matig | Dunne, platte gewrichten waar laterale spreiding helpt |
De geïnstalleerde verbindingsweerstand is de maatstaf voor de junctietemperatuur. Gepubliceerde waarden worden niet uniform gerapporteerd voor deze productfamilies, dus beschouw de kolom met geleidbaarheid als een indicatie van de orde van grootte en controleer de geïnstalleerde weerstand. Vetten en faseveranderingsmaterialen zijn geschikt voor een vlakke, stevig geklemde interface, waar ze een dunne lijmlaag bereiken en een lage weerstand behouden onder belasting. Pads en vulmaterialen voor openingen zijn nuttig wanneer de opening groter of ongelijk is en de klemkracht beperkt is. Ze offeren een deel van de geleidbaarheid op voor de flexibiliteit om de ruimte te vullen zonder de module te belasten. Lijmachtige materialen zorgen voor structurele hechting of trillingsdemping wanneer de verbinding belasting moet dragen, ten koste van de mogelijkheid tot herwerking.
Een TIM afstemmen op de interface: spleetbreedte, vlakheid, montagespanning en automatisering.
Begin de selectie op basis van de speling en vlakheid van de interface. Deze bepalen de vereiste flexibiliteit van het materiaal voordat de geleidbaarheid relevant is voor een vergelijking. Een verbinding met een speling van enkele tientallen microns die stevig is vastgeklemd, is geschikt voor een dun laagje vet of een faseveranderende film. Een kromme basisplaat of een stapel met ruime toleranties vereist een vulmiddel of een doseerbare vulpasta die zich aanpast zonder hoge druk. Meet de werkelijke speling en de variatie ervan over het oppervlak, niet de nominale ontwerpwaarde, omdat die meting de uitkomst vaak beïnvloedt.
Montagestress kan ongemerkt de prestaties van anderszins goede materialen belemmeren. Een stijve pad met een hoge geleidbaarheid kan kracht overbrengen via een grote SiC- of IGBT-module. Of die kracht voldoende is om het substraat te vervormen of soldeerverbindingen te laten bezwijken door thermische cycli, hangt af van de moduleconstructie en het klemontwerp. Vraag de leverancier om gegevens over compressie en doorbuiging en vergelijk deze met de kracht die uw mechanisch ontwerp daadwerkelijk kan uitoefenen. De flexibele optie is soms de betrouwbaardere, zelfs bij een lagere geleidbaarheid.
De automatiseringsmethode bepaalt welke materialen op grote schaal reproduceerbaar blijven. Gedoseerde voegvullers en met sjablonen bedrukte smeermiddelen zijn geschikt voor geautomatiseerde productielijnen en bieden controle over de hechting van individuele eenheden. Handmatig aangebrachte pads bieden minder controle, maar vereisen wel eenvoudiger gereedschap. Een materiaal dat een technicus handmatig goed kan aanbrengen, kan meer variëren wanneer het op grote schaal wordt gebruikt. Daarom is het belangrijk om de aanbrengmethode te valideren met gegevens over de hechting of weerstand van individuele eenheden voordat u een definitieve keuze maakt. Wanneer interface, voeg, isolatie en proces allemaal een rol spelen, is het rangschikken van deze factoren bepalend voor de verdedigbare keuze, en niet sorteren op geleidbaarheid.
Elektrische isolatie, uitharding en betrouwbaarheid bij thermische cycli
Bepaal eerst de elektrische functie van de interface, omdat dit hele materiaalfamilies kan uitsluiten. Waar de TIM zich tussen een actieve basisplaat en een geaarde koeler bevindt en isolatie biedt, moet deze elektrisch isolerend zijn met een ruime marge. Isolerende materialen hebben doorgaans een diëlektrische sterkte van enkele kV/mm. De bruikbare waarde is afhankelijk van het specifieke product en de dikte, dus controleer dit in het datasheet. Wanneer de isolatie elders in de stack wordt verzorgd, komen elektrisch geleidende opties zoals metaalhoudende of grafietmaterialen in beeld. De uitdaging bij het ontwerpen is dan om te voorkomen dat deze materialen in de buurt van printsporen komen.
Het uithardings- en hechtingsgedrag bepalen of de verbinding bruikbaar is. Niet-uithardende vetten, gels en pads maken het mogelijk om een module te herstellen of te vervangen. Een thermisch geleidende lijm hardt uit tot een structurele verbinding die bestand is tegen trillingen, maar is over het algemeen niet herstelbaar zonder de verbinding te beschadigen, afhankelijk van de lijmsoort. Kies alleen voor een uithardend materiaal als de hechting een vereiste is, omdat dit van invloed is op reparaties, garantieafhandeling en herstelwerkzaamheden aan de productielijn.
Betrouwbaarheid tijdens thermische cycli is een punt waar een goede meting op de eerste dag nog steeds kan falen. Vetten kunnen uitdrogen en wegspoelen doordat herhaaldelijk uitzetten en krimpen materiaal uit de verbinding persen. Pads kunnen compressievervorming ondergaan en ongelijke thermische uitzettingscoëfficiënten kunnen delaminatie of holtes veroorzaken die de weerstand in de loop van de tijd verhogen. Hoe snel deze problemen zich voordoen, hangt af van de materiaalsamenstelling, de klemdruk, de verbindingslijn en het temperatuurbereik en cyclusprofiel waaraan het onderdeel wordt blootgesteld. Beschouw ze daarom als risico's om te kwalificeren, niet als zekerheden. ASTM D5470 biedt een gemeenschappelijke basis voor het meten van stationaire warmteoverdracht en thermische weerstand onder gespecificeerde omstandigheden. Het reproduceert geen veroudering, dus combineer het met gegevens over uitspoelen en thermische cycli voor de temperaturen waaraan uw vermogenselektronica daadwerkelijk wordt blootgesteld.
Het aanbrengen van thermische interfacematerialen (TIM's) over het gehele traject van cel naar koelvloeistof in EV- en ESS-accupakketten.
In een EV- of ESS-accupakket bevindt een thermische interface (TIM) zich in meerdere warmtepaden, en deze paden vormen geen enkele serieschakeling. Cellen voeren warmte af via hun eigen interface naar een koelplaat of koelstructuur: cel naar TIM naar koelplaat. De vermogenselektronica vormt een apart pad, waarbij de halfgeleiderovergang warmte afvoert via de behuizing en de basisplaat, via een TIM, naar een koelblok of koelplaat. De tractieomvormer en de bijbehorende IGBT- of SiC-modules vormen geen verplichte laag tussen de cellen en de koelvloeistof. Ze vormen een parallelle belasting op dezelfde koelarchitectuur. Mits goed gekozen, houden beide interfaces de weerstand van hun eigen pad binnen de toleranties voor de gebruiksduur van het accupakket.
De vorm van de interface verschilt per locatie, dus controleer deze aan de hand van de daadwerkelijke verpakking en montage in plaats van er zomaar vanuit te gaan. Vastgeklemdde basisplaten van vermogensmodules kunnen vlakke, goed gecontroleerde verbindingen vertonen waar een dun laagje vet of een faseveranderende film zijn vruchten afwerpt. Elektronica en besturingsprintplaten aan de batterijzijde vertonen vaker ongelijkmatige openingen die geschikt zijn voor samendrukbare vulmiddelen en pads, maar controleer de vlakheid, klemming en opening op de daadwerkelijke assemblage. Het afstemmen van elke interface op de bijbehorende koeler is waar het voordeel op pakketniveau tot uiting komt, omdat zelfs de best bewerkte koelplaat nutteloos is als de verbinding die deze voedt dik of hol is. Trumonytechs ontwikkelt thermische interfacematerialen en bijpassende vloeibare koelplaten voor de koeling van batterijpakketten en vermogenselektronica; Ontdek onze TIM-oplossingen. Het doel is om een vulmiddel, pad of aangebracht materiaal te combineren met het koelcomponent waartegen het aanligt. Dezelfde discipline is van toepassing overal waar vermogenselektronica zich bevindt, van een voertuigomvormer tot... energieopslagbatterijpakketten in datacenters, waarbij de inschakelduur en de variatie in de spleetbreedte het materiaal meer bepalen dan welke geleidbaarheidswaarde dan ook.
Conclusie
De interface, en niet het datasheet, moet bepalend zijn voor het thermische interfacemateriaal van vermogenselektronica. Stel vier criteria vast voordat u een shortlist opstelt: de spleetbreedte en de variatie daarin, de klemkracht die het mechanische ontwerp toelaat, of de verbinding isolerend moet zijn en of deze onderhoudbaar moet blijven. Laat deze criteria de selectie beperken, en laat de geleidbaarheid vervolgens de doorslag geven. Het is een valkuil om een hoge W/m·K-waarde als doel te stellen, omdat de dikte van de verbindingslaag, de contactweerstand en het cyclische gedrag bepalend zijn voor de werkelijke belasting van de verbinding. Bevestig de keuze aan de hand van de geïnstalleerde weerstand of de behuizingstemperatuur onder reële belasting. Ten slotte moet u de smeermiddelen beoordelen op hun vermogen om gedurende de levensduur van het pakket te worden weggepompt, aan de hand van een gedefinieerd aantal cycli, temperatuurbereik, klemconditie en faalcriterium, en niet op basis van een algemene levensduurwaarde.
FAQ
Heb ik een thermische pad of thermische pasta nodig voor een IGBT-module?
Kies de juiste pasta op basis van de verbinding, niet op basis van de modulenaam. Thermische pasta is geschikt voor een vlakke, stevig vastgeklemd IGBT-basisplaat, omdat deze een dunne verbindingslijn bereikt. Een thermische pad is geschikt voor een ongelijkmatige opening of een ontwerp met beperkte klemkracht. Pasta biedt een lagere weerstand wanneer de interface goed aansluit; een pad levert iets in qua geleidbaarheid, maar is wel flexibeler en gemakkelijker en herhaalbaarder te plaatsen.
Welke thermische geleidbaarheid heb ik nu eigenlijk nodig voor een SiC-vermogensmodule?
Het nuttige doel is een lage geïnstalleerde verbindingsweerstand, niet een enkel geleidbaarheidsgetal, omdat de dikte van de verbindingslaag en de contactweerstand vaak belangrijker zijn. Voor modules met een hoog vermogen is een verbindingsweerstand van minder dan ongeveer 1,0 K·cm²/W een gangbaar doel. Dit is een voorwaardelijk doel dat wordt bereikt door de eigenschappen van het materiaal en de toepassing af te stemmen op de werkelijke spanningsval, en niet door het materiaal met de hoogste W/m·K-waarde te kopen.
Kan ik in plaats van smeervet een faseveranderingsmateriaal gebruiken voor modules met een hoog vermogen?
Vaak wel. Faseveranderingsmaterialen worden vaak gekozen voor vlakke verbindingen met hoog vermogen, omdat ze boven hun overgangstemperatuur zachter worden en een dunne, wrijvingsarme verbindingslaag vormen. Waar handmatig aangebracht vet per apparaat kan variëren, kan een faseveranderingsfilm een consistentere verbindingslaag creëren. U dient dit echter wel te controleren voor uw eigen product en proces. Het nadeel is dat de film semi-permanent is en een vlak, goed vastgeklemd oppervlak nodig heeft om goed te functioneren.
Hoe dik moet de thermische verbindingslaag zijn?
Streef naar de dunste verbindingslijn die het grensvlak toelaat, terwijl je toch elke opening opvult, aangezien de weerstand toeneemt met de dikte. Vetten en faseveranderende films kunnen onder druk op een vlakke verbinding tientallen microns dik worden, terwijl een ongelijkmatige opening een dikkere pad of vuller vereist. Meet de werkelijke opening over het gehele oppervlak in plaats van te vertrouwen op de nominale waarde.
Moet een thermische interfacepasta voor vermogenselektronica elektrisch isolerend zijn?
Alleen wanneer de interface zelf isolatie biedt tussen een actieve basisplaat en een geaarde koeler, moet deze isolerend zijn met een diëlektrische marge voor de toegepaste spanning en dikte. Wanneer de isolatie elders in de stapel wordt verzorgd, zijn elektrisch geleidende materialen een optie, maar het ontwerp moet er dan voor zorgen dat deze materialen geen contact maken met aangrenzende geleiders.
Verder lezen
- Recente ontwikkelingen in thermische interfacematerialen voor thermisch beheer van hoogvermogenelektronica — Peer-reviewed review (Micromachines, via NCBI PMC). Ondersteunt de cijfers voor warmteflux bij hoog vermogen en de geleidbaarheidsbereiken die gebruikt zijn om de materiaalafwegingen hierboven te kaderen.
- Geavanceerde thermische interfacematerialen helpen bij het overwinnen van thermische uitdagingen bij hoge vermogensdichtheid. — Industrieel technisch medium (Electronic Design). Achtergrondinformatie over hoe thermische interfacematerialen de toenemende vermogensdichtheid in moderne vermogenselektronicamodules aanpakken.
