התפקיד של משיכת ניכוי חום באלקטרוניקה מכשירים

חום ניהול הוא אחד האתגרים הקריטיים ביותר באלקטרוניקה המודרנית.כפי מכשירים מתכווץ בגודל ולהגדיל את צפיפות החשמל, כל חלק מהתואר חשוב לביצועים, אמינות ובטיחות.בין הטכניקות הרבות המשמשות לשליטה באנרגיה תרמית, בשפע בולט כשיטת הנדסה על פני השטח אשר באופן ישיר משפרת את פערי החום.על ידי יישום ציפוי מתכת דק לרכיבים מרכזיים, מהנדסים יכולים לשפר באופן דרמטי התנהגות תרמית, להפחית התנגדות בין-גזעית, ולצמצם את התהליכים האלה, ולצמצם את המשתנים, ולצמצם את המשתנים באופן יעיל, ולצמצם את החומרים המשתנים, ולצמצם את המשתנים, ולאפשר את המשתנים על פני השטח של כל אלה על ידי הפעלת חומרים אלה.

הבנה של דיסipation באלקטרוניקה

פירוק חום הוא התהליך שבו אנרגיה תרמית מתרחקת ממקור חום - באופן קטי צומת מוליכים למחצה פעיל - כדי למנוע טמפרטורות מגבולות בטוחים יותר.אלקטרוניקה, חום נוצר בעיקר על ידי הפסדים מנוגדים (חום ג'אול) במוליכים ועל ידי החלפת הפסדים טרנזיסנסיסטורים.אם חום זה לא הוסר במהירות, ביצועים, דפיפות, עלייה, ובסופו של דבר כישלונות קטסטרופליים יכול להתרחש.

שלושת מצבי היסוד של העברת חום הם התנהגות, הדבקה וקרינה.ברוב האסיפות האלקטרוניות, התנהגות באמצעות חומרים מוצקים והדבקה אווירי מסובך הם הנתיבים הדומיננטיים.התנהלות עוקב אחר החוק של Fourier, שבו גלי החום הוא פרופורציה לטמפרטורה ⁇ ואת מוליכות החומר.

מושג מפתח הוא התנגדות תרמית, לעתים קרובות מודל אנלוגיה חשמלית.כל שכבה - למות, חומר ממשק תרמי, מפיץ חום, כיור חום - התנגדות פיזור מפחית התנגדות על ידי מתן נתיב מאוד התנהגותי כי גשרים פערים ומשפר את יכולת הרטוב של מכרים או מאפים תרמיים.ללא מסיסים מתאימים, אפילו עיצוב הכי טוב של כיור חום לא יכול להשיג את הפוטנציאל המלא שלה.

התפקיד של משיכת הניהול ה-thermal Management

פיזור כרוך להפקיד שכבה דקה של מתכת (או ⁇ ) על תת-קרקעית, בדרך כלל על ידי אלקטרו-פלינג או דהור ללא אלקטרו-פעמי.המנגנון העיקרי שבו השתרע את הפיזור החום הוא על ידי הגדלת מוליכות תרמית יעילה של פני הרכיב.לדוגמה, כיור חום נחושת מוקרן ניקל עשוי לשלב את הכוח המבני של ניקל עם מוליכות גבוהה של נחושת, אבל את השפע עצמו חייב להיות נבחר כדי למנוע התנגדות תרמית מיותרת.

חשוב יותר, מינוף מפחית התנגדות מגע תרמי.כאשר שני משטחים מוצקים מופעלים יחד, רק חלק קטן של אזור מגע לכאורה למעשה נוגע עקב גסות פני השטח.ה הפערים מלאים באוויר, שיש לו מוליכות תרמית נמוכה מאוד ( ⁇ 0.026 W/mK) שכבה רופפת, עקבית, כמו tin או indium - יכול להיות בעל השפעה משמעותית על מנת למלא מיקרו-חום, במיוחד קיבולת נמוכה יותר.

מטבוליזם גם מגן על המתכת הבסיסית מפני חמצון וקורוזיה. מתכות רבות מוליכים גבוה, כגון נחושת וכסף, טחיש או חמצון לאורך זמן, יצירת שכבה דקה מרתיעה כי degrads ביצועים תרמיים. מתכת אצילית בשפע כמו זהב או שכבת מעבר כמו ניקל משמרת את השלמות התרמית של פני השטח על פני החיים של המכשיר.

סוגים של משיכת ונכסים חמים

בחירת החומר המתאים לגיוס תלוי בדרישות התרמיות, המכניות והסביבתיות של היישום.השולחן מתחת לסכזמת מתכות נפוצות והתנהגויות תרמיות המשוערות שלהם:

• (ב) 429 W/mK. .0Silver (Ag)FLT:1 429 W/mK. 429 מוליכות תרמית הגבוהה ביותר של כל מתכת.שימוש בתרכובות תרמיות גבוהות, מחברים, ושקעי חום מיוחדים שבהם העלות היא משנית.
• (FLT:0)Copper (Cuteau) 1 - 401 W / mK. מוליכות טובה ועלויות נמוכות יותר כסף. Copper plating משמש נרחב על כיור חום אלומיניום כדי להגביר את מוליכות פני השטח, על גבי עקבות מעגלים, ועל מסגרות מובילות.עם זאת, נחושת מחומצת בקלות, כך לעתים קרובות דורש שכבת מגן נוספת.
• (FLT:0Gold (Aucio)FLT:1 - 318 W/mK. מתון יחסית מוליכים תרמית גבוהה, אבל היתרון העיקרי שלה הוא התנגדות קורוזיה. Gold plating משמש על מחברים, מגינים RF וחבילות מוליכים למחצה שבו אמינות בסביבות קשות הוא קריטי גם כן.זה נמכר מאוד, צמצום עמידות ממשק תרמיים בחיבורים שנמכרו.
• (ב) 237 W/mK.
• (FLT:0)Nickel (Ni)FLT:1, 91 W / mK. מוליכות נמוכה אבל קשיחות מעולה והתנגדות קורוזיה. ניקל plating משמש בדרך כלל כתחתית זהב או כמחסום דיפוזיה.זה גם הסוף על הרבה כיור חום צרכנים (חלק מהם למעשה נחושת ניקל).
• (FLT:0)Tin (Sn)FLT:1 - 67 W / mK Soft, Solderable, וזול. Tin plating משמש כדי לשפר את יכולת הרטבה עבור ממשקים תרמיים מוכרים ולמנוע חמצון של עקבות נחושת.

Alloys כגון ניקל זרחן ( ניקל ללא תשלום), נחושת-טין (bronze), ו-palladium כסף משמשים גם עבור פעולות מסחר ספציפיות בין מוליכות, קשיחות, ועלות. עובי של שכבת המבולחת הוא קריטי: רזה מדי, וזה לא יכול לכסות pores; עבה מדי, ואת ההתנגדות הנוספת עשויה לזרז את היתרונות האופייניים עבור יישומים תרמיים ל קיבולת של 0.5 מ μm ל .

מעבדים: אלקטרופלינג לעומת מטבוליזם ללא אלקטרול

שני תהליכים עיקריים משמשים לעומס תרמי:

• (FLT:0)ElectroplatingFLT:1 משתמש זרם חשמלי כדי להפחית את השדות מתכת מפתרון על תת-קרקעית התנהגותית.זה מהיר, עלות-תועלת, ומאפשר שליטה עובי מדויק.עם זאת, זה דורש הפצה צפיפות מורכבת עבור ציפוי אחיד על צורות לא סדירות, וכמה מתכות (למשל, אלומיניום) לא ניתן לסווגן ישירות ללא שכבת שביתה.
• (FLT:0) , ללא ספק בשפע של ההרחבה הכימית האוטומטית: אין צורך בזרם חיצוני, ולכן הציפויים אחידים אפילו על ג'ממטים מורכבים ובתוך דרךs. אלקטרוless ניקל-phosphorus (ENIG) הוא בחירה פופולרית עבור לוח מעגלים מודפס לסיים כי הוא מספק גם מכרות וגם הגנה על קורוזיה.

שני התהליכים יכולים להיות מכוונים לסגסוגת הפקדה עם הרכב מבוקר ומיקרו-מבנה.לדוגמה, ניקל אלקטרוless יכול להיות שונה תוכן זרחן: פיקדונות זרחן גבוהה הם amorphous ופחות מוליכים, בעוד שפקדות אלקטרו-phosphorus נמוכות הן גבישיות עם מוליכות תרמית גבוהה יותר.

כיצד משפרים את העברת החום ב- Interfaces

התרומה המשמעותית ביותר של התכה לפירוק חום היא לעתים קרובות בממשקים חומריים – הצומת בין מקור חום לבין כיור חום, או בין צינור חום לבין בסיס עולה.גם כאשר לשני המתכות יש מוליכות גבוהה, ההתנגדות ליצירת קשר יכול לשלוט.

• (FLT:0)Filling micro-gaps:FreaLT:1 Soft plating (indium, tin, tin, מכרים ללא מוביל) יכול באופן מפלסטיק תחת לחץ קלפי, בהתאם לחוספס פני השטח ולהפחית את פער האוויר.זה יכול להוריד התנגדות מגע על ידי 50-80% בהשוואה משטחי מתכת חשופים.
• (FLT:0) ,Enhancing רטוב עבור חומרי ממשק תרמיים (TIM): FLT:1 רבים טרף TIM ומכרנים דורשים משטח נקי ויש לו אנרגיה על פני השטח גבוה. פלטינג (במיוחד עם זהב או כסף) מקדם אפילו להפיץ, צמצום ריקות ולהבטיח קו אג"ח דק.
• (FLT:0) מתן מחסום דיפוזיה: קיד:1) במפרקים מוכרים, תרכובות בין-מטאליות יכולות ליצור שיש להן מוליכות תרמית נמוכה. שכבת ניקל משתווה פועלת כמכשול, למנוע דיפוזיה של נחושת או סיליקון לתוך המוכר ולשמור על משותף מוליכים גבוה יותר לאורך זמן.
• (FLT:0) שיפור חום מתפשט בשכבות דקות: IRLT:1 finated או קירות מיקרו ערוצים יכול להיות בעל מוליכות יעילה יותר מאשר חומר הבסיס לבדו. לדוגמה, כיור חום עשוי אלומיניום יכול להיות מוקרן על ידי נחושת כדי ליצור עור התנהגותי המפיץ חום מאוחר יותר ביעילות רבה יותר.

התנגדות ממשק ה-Rirmal Interface ו-Packting

התנגדות ממשק ריתרמי (RIRLT:0) היא הירידה הטמפרטורה על פני מפרק מחולק על ידי גלי חום פלוקס. עבור מגעי מתכת חשופים, ערכים יכולים לנוע בין 0.5 ל 5 ס"מ2K / W, בהתאם ללחץ וחוספסות. עם אופטימיזציה של pling ו-TIM, התנגדות יכולה לרדת מתחת 0.12K / W. שיפור זה קריטי בעוצמה גבוהה כמו CPU מאפשר ירידה של 5 ° C.

מהנדסים לעתים קרובות למדוד RibFLT:0 irthFLT 1 (ה) באמצעות שיטת מבחן ASTM D5470 סטנדרטית. על ידי השוואת דגימות מעודות ללא מחוסנים בתנאים זהים, היתרון של שפע נתון יכול להיות לכמת. לדוגמה, מחקר על כיורת נחושת מוקרן כסף הראה ירידה 12% בהתנגדות תרמית הכוללת לעומת נחושת, זהב-plated משטח ניקל מוצג ירידה של 1000 שעות לאחר ירידה של אופניים מופחתת.

שיקולים עיצוב כוללים עובי בשפע, קשיחות, ואת coefficient של התרחבות תרמית (CTE) אי התאמה ב CTE יכול לגרום לדיכאון מתחת מחזורי טמפרטורה, כך שכבות מצופה צריך להיות דק מספיק כדי להדגיש, אבל עבה מספיק כדי למנוע קורוזיה של פיתול.

יישומים של תזמון במכשירים אלקטרוניים

הפחתה של חום משמשת כמעט בכל מגזר של אלקטרוניקה. להלן הם יישומים נציג עם דרישות תרמיות ספציפיות.

טלפונים חכמים ו Tablets

במכשירים קומפקטיים, חום חייב להתפשט במהירות כדי להימנע כתמים חמים על יד המשתמש.האלומיניום או מערכי נחושת בתוך מכשירים אלה הם לעתים קרובות זהב - או ניקל מוקרן בנקודות מגע למעבד וסוללה. סמארטפונים רבים משתמשים בתאי vapor הכוללים מבני נחושת מאומנים ניקל כדי לשפר את פעולת ההמראה ואת מוליכות תרמית.

CPUs ו- GPUs

התפשטות החום המשולב (IHS) של CPU הוא בדרך כלל ניקל מוקרן נחושת.שכבת ניקל מגן על הנחושה מפני קורוזיה ומספק משטח תואם עם פסים תרמיים. כמה כיור חום ברמה גבוהה הם לחלוטין כסף מצופים כדי להשיג כמה אחוזים שיפור בפיזור - רווח משמעותי עבור overclocking.

Power Electronics ו- LEDמודולים

LEDs בעוצמה גבוהה לייצר חום אינטנסיבי ברמת השבבים. פלט אלומיניום מבוסס מתכת לוח מעגלים מודפסים (MCPCBs) הם נפוצים; הליבה אלומיניום הוא לעתים קרובות אלקטרו-אין ניקל מוקרן כדי להבטיח דבקות טובה של שכבת המעגל נחושת וכדי זוג תרמי LED עד תת-קרקעית.

RF ו-Commonents

במודולים בתדר רדיו, פירוק חום חייב להיות מאוזן עם מוליכות חשמלית. Gold plating הוא המועדף על ההתנגדות החשמלית הנמוכה שלה ואת עמידות קורוזיה, והוא גם מספק תחבורה תרמית נאותה. Wave guides ו resonators cavity עשוי להיות מוקרן כסף כדי להגדיל את הביצועים החשמליים והרמימישים.

רכב ואלקטרוניקה

סביבות אלה דורשות אמינות גבוהה תחת רטט ורכיבה תרמית.שקעי חום עבור כלי רכב חשמליים הם לעתים קרובות אלומיניום מוקרן נחושת עבור חיסכון במשקל, עם שכבת ניקל נוספת לעמוד נוזלים רכב קורוזי. מרכיבים אוויריים להשתמש ציפויים ניקל ללא אלקטרולניים המציעים קשיחות גבוהה ו מוליכות תרמית עבור אלקטרוניקה ברמה גבוהה.

צמצום יעילותם של פתרונות פלאד

כדי לאמת ביצועים בשפע, מהנדסים משתמשים בשילוב של בדיקות תרמיות, מכניות וחשמליות:

• (FLT:0) המדידה מוליכות: FLT:1 שיטת הבזק לייזר (ASTM E1461) מודדת diffusivity תרמית. Plated כלולים ניתן לבדוק כסרטים ללא הגבלת זמן, או שכבות מסולפות על תת-שכבות מוערכות באמצעות שיטת אומגה שלוש או קוד מטוסים טרנסיאק (TPS).
• (FLT:0) למדידת ההתנגדות של ממשק הרחם: FLT:1 שימוש חיישן חום פלוקס ותרמוסקופים תחת לחץ מבוקר, הטמפרטורה יורדת על פני ממשק מצופה.מבחן זה חיוני עבור זכאים TIMs משטחים מעוקלים.
• (FLT:0) בדיקות אמינות ואמינות: FLT:1 שכבות מסוללות כפופות לזעזוע תרמי (-55 מעלות C ל +125 מעלות צלזיוס), לחות (85 ° C/85%RH), ו- Iar מכני כדי להבטיח שהציפוי לא ייפול תחת תנאי שירות.
• (FLT:0Corrosion Resistance: FLT:1 סולט רס בדיקה (ASTM B117) מעריך האם השפע מגן על המצע מפני חמצון אשר יקטין את ההתנהגות התרמית לאורך זמן.

נתונים קוונטיים ממבחנים אלה מדריכים מבחר חומרי.לדוגמה, יצרן עשוי לבחור בין כסף נחושת בשפע מבוסס על עלות, בידיעה כי כסף מציע 7% מוליכות גבוהה יותר אבל עולה 10× יותר לגרם. באלקטרוניקה צרכנית גבוהה, נחושת עם פלאש ניקל דק לעתים קרובות מספק את האיזון הטוב ביותר.

אתגרים ושיקולים

בעוד שגיוס הוא כלי רב עוצמה, אין זה ללא מגבלות.מהנדסים חייבים לשקול:

• (FLT:0) לעומת תועלת: FLT:1 מתכת בולטת בשפע עלייה משמעותית עלות הרכיב. עבור יישומים רבים, ניקל או tin plating הוא מספיק.
• (FLT:0) בקרת היקניות: 1FLT) עבה מדי יכול להוסיף התנגדות תרמית כי חומר הציפוי עצמו עשוי להיות בעל מוליכות נמוכה יותר מאשר תת-החל (למשל, ניקל על נחושת). עובי אופטימי הוא בדרך כלל 1-5 מיקרומטר עבור ממשקים תרמיים.
• (ב) בטמפרטורות גבוהות, זהב יכול להתמזג לתוך מכרים מבוססי tin, להרכיב intermetallics (AuSnFLT:24Freave 3) אשר מגביר את ההתנגדות.
• (FLT:0)Porosity:FLT:1 אפילו משטחים מאומנים היטב יכול להיות פיתולים מיקרוסקופיים המאפשרים קורוזיה ליזום. עבור יישומים קריטיים, שכבות מרובות (למשל, נחושת + ניקל + זהב) לספק אדמוניות.
• תקנות:0 (Environmental: FLT:1) כמה תהליכים plating להשתמש כימיקלים מסוכנים או ליצור פסולת. חלופות כמו tin-bismuth או אבץ-ניקל נחקרים עבור אלקטרוניקה ירוקה יותר.

למרות האתגרים האלה, הצטברות נותרה אחת הדרכים היעילות ביותר לשיפור הניתוק חום ללא תכנון מחדש של המערכת התרמית כולה.כאשר בשילוב עם TIM מתקדמים ונתיבי זרימה ממוטבים, משטחים מעוקלים מאפשרים לדור הבא של אלקטרוניקה בעוצמה גבוהה.

מגמות עתידיות בפלינג עבור ניהול הירומל

הביקוש לפירוק חום טוב יותר ממשיך להניע חדשנות בטכנולוגיות שופעות.

אתר Alloy Plating

חוקרים מפתחים תרכובות אלקטרודות שמטמות חלקיקים בעלי ביצועים גבוהים (למשל, גרפן, צינורות פחמן, יהלום) לתוך ממטריקס מתכת. a נחושת-graphene המורכב יכול להשיג באופן תיאורטי מוליכות תרמית מעל 500 W / mK. תוצאות מוקדמות להראות שיפורים של 20-30% על פני נחושת טהורה במבחנים מעבדה, אבל קנה מידה נשאר אתגר.

קידוד 3D Plating

טכניקות ייצור תוספים מתקדמות מאפשרות שפע של תחומים ספציפיים על כיור חום מורכב 3D. במקום ציפוי משטח שלם, בשפע ניתן להפקיד רק על אזורי פלסוקס, צמצום עלויות ומשקל. גישה זו כבר בשימוש צלחות נוזליות נוזליות עבור מרכזי נתונים.

עקבו אחרי NTUTUTOR

אלקטרודה של מתכות עם nanostructures מבוקר - כגון נחושת ננווטש - יכול להגדיל את מוליכות תרמית על ידי צמצום פיזור אלקטרונים בגבולות דגנים. ננוטוויד נחושת הוכח להציג התנהגויות מעל 400 W / mK, קרוב לגבול התיאורטי.

חלופות ידידותיות לסביבה

תקנות על hexavalent chromium ו אמבטיות מבוססות cyanide הן מהירות הפיתוח של כימאים ירוק בשפע. Ionic נוזל מבוסס אלקטרופלינג של אלומיניום ומגנזיום עשוי להציע ציפויים קלים, מוליכים גבוה ללא חומרים רעילים.

בעוד מכשירים אלקטרוניים ממשיכים למגמה כלפי נחיתות כוח גבוהות יותר, התפקיד של הנדסה על פני השטח יגדל רק. פלטינג הוא לא רק סיום דקורטיבי - זה שכבה פונקציונלית המשפיעה ישירות על ביצועים תרמיים, אמינות ועלות.

מסקנה

פלטינג הפך לטכניקה חיונית בניהול תרמי של מכשירים אלקטרוניים.על ידי הגדלת מוליכות תרמית, צמצום התנגדות מגע, ולספק הגנה קורוזיה, ציפוי מתכת דק עוזר לשמור רכיבים רגישים בתוך טמפרטורות הפעלה בטוחות.ממנה החום המעודן כסף משקע במעבדים מתקדמים למסגרות אלומיניום מעודנים ניקל בסמארטפונים, יצרנים מסתמכים על איזון ביצועים, אמינות, ועלות.