אתגרים עשירים באלקטרוניקה המודרנית

מכשירים מוליכים למחצה בעוצמה גבוהה יושבים בלב כל דבר ממכשירים חשמליים ועד אספקת חשמל מרכז נתונים וכוננים תעשייתיים. רכיבים אלה מטפלים באופן שגרתי במאות וואט, ואת השטף התרמי שהם מייצרים יכול לעלות על 500 W / 2 בעיצובים מתקדמים.ללא ניהול אגרסיבי, טמפרטורות צומת במהירות עלייה של 150 מעלות צלזיוס, גרימת יעילות, כשלים אלקטרומיים, ובסופו של דבר ההתקן עבר רמה גבוהה יותר, עומד על פני שטח חום, ולאחר מכן, הוא נדחית על פני שטח זה, הוא לעתים קרובות, עומד על פני שטח גדול יותר, הוא מגובה על פני השטח, הוא מוגבל, או מגובה, הוא מוגבל, הוא מוגבל, הוא עומד על פני השטח של מעגל חום, הוא מגובה, הוא מגובה על פני 150 מעלות, הוא מגובה, ולאחר מכן, הוא מגובה, הוא מגובה, הוא עומד על פני השטח של המערכת.

מפיץ חום מעוצב היטב עושה יותר מאשר רק לנהל חום.זה מקטין התנגדות תרמית בין צומת המוליכים למחצה לבין הכיור החום האולטימטיבי, מוריד מתח מכני מרכיבי אופניים תרמיים, ואפילו יכול לשמש מגן הפרעה אלקטרומגנטית.כפי שרגישויות כוח ממשיכות לטפס, הבנה כיצד לבחור, עיצוב, וחלוקי חום הפכו להנדסת ליבה מתחרה ולא לאחר אנט.

מה הם מפיץ חום?

מפיץ חום הוא מרכיב ניהול תרמי פסיבי שמקבל חום ממקור מרוכז ומפיץ אותו על פני שטח גדול יותר.המטרה העיקרית היא להפחית את גלי החום המקומי - נמדד בוואטים לסנטימטר מרובע - כך שמערכות קירור במורד הזרם כגון כיור חום, אוהדים, או צלחות קר נוזלי יכול לפעול ביעילות.

מפיץ חום בדרך כלל מופרשים כמו צלחות שטוחות או תוספות מעוצבים שעושות מגע ישיר עם החבילה Semiconductor. הם מחוברים באמצעות חומרי ממשק תרמיים (TIMs) - שיבושים, כריות, חומרי שינוי שלב, או מכרים - שממלאים פערים אוויר מיקרוסקופיים ולהבטיח התנגדות תרמית נמוכה בממשק.המפיצים עצמם עשויים להשתלב לתוך המכשיר (כמו מעבדים דמויי ספין-צ'יפ) או להוסיף מרכיב חיצוני במהלך הרכבה.

הפרמטרים העיקריים של כל מפיץ חום כוללים מוליכות תרמית של מטוס (כמה מהר חום מתפשט מאוחר יותר), עובי (אשר משפיע על התנגדות מתפשטת), יעילות של התרחבות תרמית (CTE) תואם סיליקון או חומרים מתים אחרים, ונוקשות מכנית כדי לתמוך בלחץ מפני מנגנונים clamping.

הפיזיקה של התפשטות החום

התפשטות חום נשלטת על ידי חוק ההתנהגות של Fourier בשלושה ממדים.כאשר מקור חום מרוכז מוחל על מרכז צלחת, חום זורם החוצה קורנל במטוס של ההתפשטות.ההתנגדות המתפשטת - ההתנגדות התרמית הנוספת שנוצרה כי מקור החום קטן יותר מהמפיץ - תלוי מוליכות תרמית של המתפשט, ואת היחס של אזור המקור להתפשטות, לספק סימולציות אנליטיות לצורות ספציפיות, כדי להפיץ את החומרים, ולאפשר סימולציה חומרת לצורות מתקדמות.

עבור חומר נתון, מפיץ עבה יותר מפחית התנגדות מתפשט עד נקודה, אבל מעבר בערך 3-5 מ"מ, היתרון שולי יורד במשקל ועלויות. עובי אופטימלי תלוי על ההיקף התרמי של החומר ואת האורך האופייני של מקור החום. לדוגמה, 10 מ"מ × 10 מ"מ למות מתפזר 300 W עשוי לדרוש מפיץ נחושת לפחות 2 מ"מ עבה כדי לשמור על הטמפרטורה מתחת ל 10 מעלות מתחת ל 10 מעלות צלזיוס.

מדוע מכשירים בעלי עוצמה גבוהה דורשים להפיץ

מכשירים למחצה בעוצמה גבוהה מציגים אתגר תרמי ייחודי: דור החום מרוכז בנפח קטן מאוד - בדרך כלל המיקרומטרים הראשונים של סיליקון מת.ב-FLT:0insulated-gate bipolaristor (IGBT)FLT:1 מודול מדורג 1200 ו- A, אזור הסיליקון פעיל עשוי להיות רק 2-3 ס"מ בעוד כוח מוחלט מתפזר 2-1000 שניות.

בתרחישים כאלה, מפיץ החום מבצע שלושה תפקידים קריטיים:

  • (FLT:0) הפחתה: FLT:1 על ידי הפצת חום מעל 5-10× אזור המוות, גלי החום המקומי טיפות לרמות כי כי כי הכיור חום קונבנציונלי והזיזים אוויר יכול לטפל - בדרך כלל מתחת 50 W / ס"מ2 על פני השטח המתפשט.
  • (FLT:0) Thermal buffering:FLT:1 במהלך עומסים טרנסיים (start-up, העלאה אירועים, זריקת עומס), המפיץ סופג חום וחלקים של ספיגת טמפרטורה, מגן על המוות מפני הלם תרמי מהיר.
  • (FLT:0) תמיכה יצירתית: FLT:1 מפיץ רבים משמשים כצלחת הבסיס עבור כל מודול הכוח, מתן משטח שטוח, קשיח לצרף חומרה קירור ולהבטיח עובי TIM עקבי על פני יחידות ייצור.

נתונים מ-FLT:0 יצרניות היצרנים של יצרני כוח: 1 (FLT:0) מעידים כי ניהול תרמי לא מספיק מהווה יותר מ-5% מכישלונות שדה בממירים בעלי כוח גבוה, עם כתמים חמים על המוות להיות הגורם העיקרי לחום תקין מתפשט ישירות למצב הכשל הזה.

חומרים המשמשים ב-Hick Spreaders

בחירה חומרית היא ההחלטה היחידה המשפיעה ביותר בעיצוב התפשטות חום.החומר האידיאלי משלב מוליכות תרמית גבוהה, צפיפות נמוכה, CTE קרוב לסיליקון (2.6 ppm/K), וכדאיות בעלות סבירה.

קופר

קופר נשאר הסטנדרט עבור מפיץ חום ביישומים בעלי עוצמה גבוהה.עם מוליכות תרמית של 390-400 W/mK, הוא מתפשט חום מהר יותר מכל מתכת הנדסית משותפת. Copper מציעה גם כוח מכני טוב, ניתן למכונה, מוטבע, או מזויפים לצורות מורכבות.עם זאת, נחושת היא צפופה (8.96 גרם/cm3), אשר מוסיף משקל משמעותי ליישומים אוויריים ונייד.

אלומיניום אלומיניום

אלומיניום (התנהגותית צדדית -200-230 W / mK) מציע בערך חצי יכולת התפוצה של נחושת אבל שליש המשקל שלו עלות נמוכה וקלות של extrusion להפוך אותו פופולרי עבור מוצרי אלקטרוניקה צרכנית LED תאורה, שבו ביצועים תרמיים מוחלטים פחות קריטיים מאשר עלות ומשקל.CTE של אלומיניום של 23 ppm / K הוא אפילו גבוה יותר מאשר נחושת, כך מגע ישיר עם סיליקון גדול הוא לעתים קרובות ללא ממשק חומר גמיש עם ממשק עם נפחד.

גרפיטי ופיזי גרפיט (PGS)

חומרים גרפיים אנסטיים, כגון גליונות גרפיטי pyrolytic, מציעים מוליכות תרמית של מעל 800 W / mK - יותר מפי שניים של נחושת - בעוד שיש צפיפות של רק 2.2 גרם / ס"מ3. חומרים אלה הם ביעילות 2D מנצחs: חום מתפשט במהירות מטוס אבל מתנהג מאוד גרוע דרך עובי (בדרך כלל 10-20 W / mK) הופך אותם לתאים כבדים יותר, לפעמים, כמו גרף חזק יותר, כמו גרפים, כמו גרף חזק יותר, לפעמים, כמו גרפים, כמו גרפים אחוריים, לעתים קרובות יותר, כמו גרפים.

יהלומים ויהלומים

יהלום סינתטי יש את מוליכות תרמית הידועה ביותר - עד 2200 W / mK עבור חומר טונה יחיד-קריסטל 1200 W / mK עבור פוליקליקה כימי vapor deposition (CVD) יהלום. Diamond יש גם CTE של 1-2 pm / K, כמעט תואם סיליקון.למרות תכונות אידיאליות אלה, תנורי יהלומים הם יקרים ומוגבלים ליישומים משניים של פחמן- 2 ליטרים, כאשר הם מציעים חומר חום גבוה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עם עלויות מתכת בינונית, עם משקל בינוני, עם משקל בינוני, כלומר, כלומר, עם משקל בינוני, עם עלויות בגודל של 2.

חומרים מתקדמים ומתקדמים

ממטריקס מתכתי (MMCs) כגון AlSiC (aluminumסיליקון carbide) ו-Nichota-tungsten מונדסים כדי לספק ערכי CTE מותאמים תוך שמירה על מוליכות תרמית בינונית. AlSiC, למשל, משיגה CTE של 6-9 ppm/K (סגורים ל- CTE) עם מוליכות תרמיות של 180-200/K ו- CK ו-D, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הם בעלי יכולת מופחתת של פחמן- CERC3-C.

Material Thermal Conductivity (W/m·K) Density (g/cm³) CTE (ppm/K) Relative Cost
Copper 390-400 8.96 16.7 Medium
Aluminum 200-230 2.70 23.0 Low
Pyrolytic Graphite 800-1700 (in-plane) 2.2 -1 to 1 (in-plane) High
CVD Diamond 1200-2200 3.5 1-2 Very High
AlSiC (63% SiC) 180-220 3.0 6-9 Medium-High
Copper-Tungsten (CuW85) 180-200 15.6 6.5-8.0 High

המונחים: Heat Spreaders

בחירת חומר הוא רק הצעד הראשון.הגאומטריה, ממשק ושילוב השיטה כולם להשפיע על הביצועים התרמיים הסופיים.מהנדסים חייבים להעריך כמה גורמים תלותיים במהלך שלב העיצוב.

הפצת התנגדויות אופטימיזציה

משוואה ההתנגדות המתפשטת עבור צלחת מלבנית עם מקור חום מרכזי מראה כי ההתנגדות יורדת ככל עובי מתפשט גדל, כמו היחס של אזור מבוזר לאזור מקור גדל.עבור טביעת רגל נתונה, הכפלת עובי ההתפשטות בדרך כלל מפחית התנגדות מתפשטת על ידי 25-35%, אבל היחסים הוא לא ליניארית סימולציות חושף כי ההתפשטות צריכה להאריך לפחות אורך אחד אופייני מעבר לקצה למות בכיוון מלא, אם הוא מתפשט פחות מדי, אם זה רק מגביר את המשקל.

חומרים ממשקיים (TIM)

אפילו המפיץ החום הטוב ביותר הוא לא יעיל אם הממשק בין מת לפורץ יש התנגדות תרמית גבוהה.TIM חייב למלא פערים - בדרך כלל 10-100 מיקרומטר של גסות פני השטח ו waviness - עם חומר שיש לו את מוליכות תרמית הגבוהה ביותר האפשרית ואת קו האג"ח הנמוך ביותר האפשרי של TIM מבוסס TIM (בשימוש, tin-ilver-coppers) מציעים התנהגות תרמית של 50m / mcrei) חומרים גמישהחומרים נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר (אך ורק על ידי c {\displaystyle c {\displaystyle C} ו-k-k-k-ker) אבל הם בדרך כלל נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר (מ-Hol-i) אבל הם רק על ידי c {\displaystyle c {\displaystyle c {\displaystyle C} ⁇ s-Hol-k-k-R} מגנטיים (מ-x} גמישים (מאמין (מאמין (מאמין יעיל יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר (in-x} ⁇ s) אבל הם רק על ידי c {\displaystyle c {\displaystyle c {\displaystyle c {\displaystyle T {x

CTE התאמת

כאשר המפיץ ומת להרחיב בשיעורים שונים במהלך חימום, מתח מכני מתפתח בממשק.מעל אלפי מחזורים, הלחץ הזה יכול לגרום למות סדק, עייפות מכרה, או דחיית TIM. תקן התעשייה הוא לשמור על ה- CTE תואם מתחת 5 p/K עבור מודולים גדולים (>10 לכל צד) להפיץים דורש שכבת TIM או ACCD-RTE קרוב לטמפרטורה קרמיקה (מדומה לחלוטין) או מורכבת מ- Cexi-Cupte-Cupte) כדי למנוע בעיות מורכבות באופן ישיר עם לחץ CRMStra-CRMS.

שיטות ייצור ועלויות

מפיץ חום מיוצרים על ידי בולים, זיוף, מאצ'ינג, ליהוק, או אבקה מתכתי, בהתאם לחומרים ולנפח. מפיצים של קופפר מוטבעים לעתים קרובות או מזויפים עבור מוצרים צרכניים בנפח גבוה, בעוד צורות מורכבות עבור מודולים תעשייתיים ממכונה מ- 200 קילו-גרידים של עלות אלומיניום של 2D2 ליטרים מתים או לייזר, ולאחר מכן מתמוססים עם שכבות יהלום דביקות.

שילוב עם Cooling Systems

מפיץ חום אינו עובד לבד - זה חייב להיות משולב בתוך מערכת ניהול תרמי מלא הכולל את כיור חום, מאוורר או משאבה, ואת המתחם.יעילותו של המפיץ ממקסימה כאשר מערכת קירור במורד הזרם יכול להסיר חום באותו קצב המפיץ מספק אותו.אם כי הכיור חום או צלחת נוזל יש עמידות תרמית גבוהה, ההתפשטות פשוט תשווה טמפרטורה על פני משטח חם, מתן תועלת מוגבלת.

במערכות אוויר-קו-אוויר, המפיץ בדרך כלל מוברח לשקע חום מאויש עם שכבת TIM.הפיץ מקטין את ההתנגדות התרמית מן המתים לבסיס הכיור החום, ומאפשר לפניום לפעול בטמפרטורה אחידה יותר.בתוך לוחיות קרות נוזליות, את הפרופור יכול להיות מחובר ישירות לצלחת או אפילו משולב כחלק מהמבנה הקר, עם מיקרו-מפוסק לממשק הקר, בהשוואה לממשק הקר של TIM, כדי להפחית את עצמו.

עבור תנודות כוח קיצוניות - כגון אלה שנמצאו במערךי דיודות לייזר או משדרי מכ"ם - מפיץ חום משולבים עם טכניקות קירור מתקדמות כמו חסימה סילון או קירור ריסוס. במערכות אלה, המפיץ פועל כמו משטח מכשולים, מקבל קירור נוזל ישיר תוך הפצת חום ממקורות קטנים רבים.הסינרגיה בין התפשטות וקירור פעיל מאפשר נחיתות מעל 1000 /2 מרמת מתים.

דוגמאות ל-Specific

IGBT Powerמודולs

במודול ממוצע 1200 V /600 A IGBT המשמש בכוננים מתפתל, שישה עד 12 IGBT ו diode מת נמכר על נחושת ממונע ישירות (DBC) אשר נמכר על גבי משטח נחושת או AlSiCide סוללת אל-SiC מתאים יותר כדי להפחית את השגיאה של CTE C. , הבסיס משמש כמו התפשטות חום ראשוני, חלוקת חום ממספר רב של עקבות A.

LEDs High-Brightness LEDs

נוריות המשמשות ב- car Headlamps, תאורה אצטדיון ומערכות הקרנה לייצר 50-200 W של חום מאזור מת של 1-4 מ"מ2.שפעת החום עולה על 500 W / ס"מ2, הדורשת הפצה מיידית למנוע phosphor השפלה והחלפת צבע.רוב LEDs כוח גבוה להשתמש נחושת או אלומיניום מלוטש בחבילה כמפיצים.

RF Power Amplifier

גליום nitride (GaN) RF טרנזיסיסטורים המשמשים בתחנות בסיס ומערכות מכ"ם לייצר חום אינטנסיבי בקצה השער, יצירת כתמים חמים שיכולים לעלות על 800 W / ס"מ2.מכשירים אלה לעתים קרובות מעסיקים מפיץ חום יהלומים שגדלים ישירות על גל ה- GaN או להתחבר כמו פלטיפוס נפרד.היהלום מתפשט חום הרחק מאזור השער לפני שהוא מגיע לבסיס נחושת או החבילה, שמירה על הטמפרטורה מתחת ל- 40 מעלות צלזיוס, אפילו יותר מהתפשטות של צריכת חשמל רציפה.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

דחיפה חסרת פשרה לדחיסות כוח גבוהה יותר בכלי רכב חשמליים, תשתיות 5G, ומולטי אנרגיה מתחדשת מניעים חדשנות בטכנולוגיה של התפשטות חום.

Graphene ו Carbon Nanotube Composites

(ג'ופן, עם מוליכות תרמית תיאורטית של 5000 W/mK, יצר עניין מחקרי אינטנסיבי.מפיץ חום גרפן מעשי מיוצרים כיום סרטים זעירים או כממלאים בפולימרים או מטבוליים. גרפן מסחרי גרף-enhanced כבר להשיג מוליכי מטוסים של 1000-1K500 WK / mK בעוביים מתחת ל -100 מיקרומטר, מה שהופך אותם תחרותיים עם גרף CART / FINE-Fol נשאר עם חומרים סטנדרטיים מורכבים יותר מ-FD2, 000 ו-Fol, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גרף, 000 גרף, 000, 000 גרף, 000 גרף, 000 ו-FD, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף, 000 ו-Fol, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף גבוה יותר, 000 מטבוליזם קבוע, 000 גרף, 000 ו-R.

3D-Printed Heat Spreaders

ייצור תוספתי מאפשר התפשטות חום גיאוגרפית ממתכת שאינם יכולים לייצר על ידי שיטות קונבנציונליות - ערוצי קירור תואמים, מבנים צמיגים, וחומרים ממודרגים פונקציונליים. לייזר מתכת ישיר חטא (DMLS) יכול לייצר מפיץ נחושת ואלומיניום עם ערוצי קירור משולבים כי לעקוב אחר קווי המתאר של מקור החום, צמצום ההתנגדות תרמית על ידי 20-40% בהשוואה למפיצים ממונעים עם ערוצים ישר.

ניהול יעיל

הגבול בין התפשטות חום פסיבית קירור פעיל הוא מטושטש.יש עיצובים עכשיו לשלב קרקרים תרמואלקטריים דקים (TECs) לתוך המפיץ עצמו, יצירת "מפיץ חכם" שיכול להשמין חום נגד הטמפרטורה תחת עומס גבוה ולעבור להתפשט פסיבי במהלך עומס נמוך.שלב חומרים משובצים במגרש לספק התכת תרמית transiententing עבור יישומים של כוח מלוטש פעיל אלה הם צפויים להתפשט בתוך 5 אלקטרוניקה מרכזי נתונים מסחריים במיוחד.

חימום מופצף במודולים Power

הדור הבא של עיצובי מודול כוח הוא מתרחק ממפיצים דיסקרטיים לעבר פתרונות תרמיים משולבים לחלוטין. Woven פחמן סיבים, מרוכבים יהלומים, קצף מתכתי משולבים ישירות לתוך המודול substrate, חיסול שכבת המפיץ נפרדת וצמצום מספר ממשקים תרמיים.

ניסיון מעשי למהנדסים

עבור מהנדסים עיצוב מערכות ניהול תרמי עבור מוליכים למחצה כוח גבוה, הבחירה של התפשטות חום צריך לעקוב אחר תהליך החלטה מובנת:

  1. חישוב הדרישה לטמפרטורת הצומת המקסימלית והעלאת שולי עבור היישום המטרה.
  2. לקבוע את גודל המוות, את סך כל הניתוק של כוח, ואת חום פלוקס חלוקה (uniform או מרוכז).
  3. להעריך את הדרישה להפצת התנגדות באמצעות משוואות אנליטיות או סימולציה בשלבים מוקדמים.
  4. מועמדים נבחרים להפיץ חומרים המבוססים על מוליכות תרמית, CTE תואם, ומגבלות עלות.
  5. עיצוב עובי המפיצים וטביעת הרגל כדי למזער התנגדות מתפשטת תוך שמירה בתוך משקל וגבולות נפח.
  6. בחר את TIM המתאים והעריך את עמידות הממשק עם וללא לחץ על הדגימה.
  7. לחדד את הערימה התרמית המלאה (די, טיים, מפיץ, טיים, כיור חום) בתנאים הגרועים ביותר, כולל טעינה חולפת.
  8. אימות עם בדיקות אבטיפוס באמצעות thermocouples, thermography אינפרא אדום, או מבחן תרמי מת.
  9. לבצע בדיקות אופניים תרמיות מואצות כדי לאשר אמינות מכנית לאורך חיי המטרה (בדרך כלל 10,000 עד 100,000 מחזורים עבור יישומים תעשייתיים ומכוניות רכב).

במהלך תהליך זה, שיתוף פעולה הדוק בין צוות המכשיר למחצה לבין צוות ניהול תרמי הוא חיוני. a תנור חום תוכנן ללא הבנה מפת הכוח של המוות והתנהגות CTE יהיה underperform or Failly.העיצובים המצליחים ביותר מתייחסים למגרש כחלק בלתי נפרד מחבילת המוליכים למחצה, לא לאחר מכן תקוע על במהלך הרכב המערכת.

מסקנה

מפיץ חום הם גוש בניין בסיסי בניהול תרמי של מכשירים מוליכים למחצה כוח גבוה.על ידי חלוקת חום מרוכז על שטח גדול יותר, הם מאפשרים שימוש פתרונות קירור יעילים עלות יעיל ולהגן על למות מההשפעות ההרסניות של כתמים חמים ורכיבי אופניים תרמיים.הבחירה החומרית זמינה כיום - מNi נחושת ואלומיניום ליהלומים ומרכיבים - לתת עיצוב חזק עבור ביצועים תרמיים, משקל, התאמה CTE, ועלויות גבוהות של חשמל מתקדמות, כדי להרחיב את כל ייצור חכם, כדי להרחיב את החומרים האלקטרוניקה, כדי להרחיב את החומרים האלקטרוניקה, ולהגדיל את החומרים התקני חום, ואפקטים, כדי להרחיב את החומרים האלקטרוניקה, כדי להרחיב את החומרים האלקטרוניקה, כדי להפיץ את החומרים האלקטרוניקה, כדי לפתח את החומרים האלקטרוניקה, כדי להפיץ את החומרים האלקטרוניקה גבוהה, ולהגדיל את החומרים האלקטרוניקה, כדי לפתח את החומרים התקני חשמל חכמים, ולהגדיל את החומרים התקני חשמל חכמים, כדי לפתח את החומרים האלקטרוניקה, ולהגדיל את החומרים האלקטרוניקה, כדי לפתח את החומרים התקני חשמל חכמים, ולהגדיל את החומרים התקני חשמל מתקדמים, כדי לפתח את החומרים התקני חשמל מתקדמים, כדי לפתח את החומרים האלקטרוניקה, כדי להרחיב את החומרים התקני חשמל מתקדמים, כדי לפתח את החומרים האלקטרוניקה, כדי לפתח את החומרים האלקטרוניקה