Table of Contents
פתרונות לשיפור ניהול התרמומל באלקטרוניקה
מכשירים אלקטרוניים מודרניים אורזים יותר כוח לתוך חללים קטנים יותר.המיניון חסר רחמים זה מייצר עלייה המקבילה בצפיפות חום, מה שהופך ניהול תרמי יעיל עדיפות עיצוב קריטי, בעוד כיור חום ומעריצים נשארים חיוניים, מהנדסים הופכים יותר ויותר טכניקות הנדסיות פני השטח - במיוחד, פתרונות מתקדמים בשפע - כדי להגביר את הפחתת הפחתת החום ישירות ברמת הרכיב.
הבנת האתגרים הארוכים באלקטרוניקה
חום הוא האויב של אלקטרוניקה.כל מעבד, מודול חשמל, LED וסוללה מייצרת אנרגיה תרמית במהלך המבצע.כאשר אנרגיה זו אינה נעת ביעילות, טמפרטורות צומת עולה.עבור סיליקון מוליכים למחצה, עלייה טמפרטורה של רק 10-15 מעלות צלזיוס יכול ללטף את תוחלת החיים הצפויה של המכשיר.בחשוב ביצועים גבוהים ואלקטרוניקה כוח רכב, נקודות חמות יכול לעלות על 100 מעלות צלזיוס, המוביל לתרמי, אפילו לפני כישלונות, ואפילו נזק קטסטרופלי.
האתגר מורכב מהמגבלות הפיזיות של עיצוב מודרני.מחשבים ניידים, סמארטפונים קומפקטיים, צריפים בשרת צפופים, ומכשירי רכב חשמליים יוצאים מעט לחדר לחומרה קירור רבת היקף.מהנדסים חייבים להפיק חום משטחים מתים זעירים ולהפיץ אותו במהירות דרך ממשקים לשקע חום או אוויר מגושם תרמי, פערי אוויר, ומדיקים לא מתאימים של התרחבות תרמית (C) יוצרים בקבוקים שמשתנים עם פתרונות מעוקלפים אלה.
טכניקות ניהול תרמי נפוצות כוללות שימוש בחומרי ממשק תרמיים (TIM) כגון פסים תרמיים, חומרי שינוי שלב, כריות תרמיות; הצמדת כיור חום וחדרי vapor; ושילוב קירור פעיל כמו אוהדים או לולאות נוזליות. כל שיטה מסתמכת על מגע תרמי בין רכיבים.פלינג יכול לשפר באופן דרמטי את הקשר על ידי צמצום העפרונות פני השטח והוספת ציפוי מתכתי מאוד.
התפקיד של פתרונות תזמון בניהול ה-thermal
פלטינג כרוך להפקיד שכבה דקה של מתכת התנהגותית על תת-קרקעית יישומי ניהול תרמי, השכבה המצופה מתפקדת כמו מפיץ חום, ציפוי כיור חום, או ממשק תרמי ישיר.הציפוי משפר מוליכות תרמית בצומת ויכול גם להגן מפני חמצון, קורוזיה, ולבוש.טכניקות שונות משמשים בהתאם לחומר, גיאומטריה, עובי נדרש.
אלקטרו-פלינג
אלקטרו-פלינג משתמש זרם חשמלי כדי להפחית את התכתות המתכת מבוזרות ולהפיק אותן על קטודה (הרכיב) הוא בשימוש נרחב עבור ציפוי נחושת ניקל.שכבות נחושת, בדרך כלל 5-50 מיקרומטר עבה, ניתן ליישם על כיור חום אלומיניום כדי להגביר את מוליכות פני השטח או כדי נחושת בסיס בסיס כדי למלא micro-roughness.
תזמון ללא אלקטרוליט
ציפוי כימי אלקטרוליטי (autocatalytic deposition) אינו דורש זרם חיצוני.זה משתמש סוכן הפחתת כימי בפתרון להפקיד מתכת אחיד על כל משטחים, כולל גיאוגרפיות מורכבות ו substrates לא מוליכים.זה שימושי במיוחד עבור פלסטיקים וקרמיקה המשמשים בדיור אלקטרוני.
תנוחה פיזית (PVD) ו- Sputtering
עבור ציפוי אולטרה-הרטן וטוהר גבוה, שיטות טיהור פיזי כגון sputtering מועסקים.טכניקות מבוססות ואקום אלה יכולות להפקיד מתכות (silver, זהב, אלומיניום) ואפילו מבנים רב-שכבות עם דיוק nanometer. Sputtered כסף ציפויים, עם מוליכות תרמית של - 429 / mK, משמשים ב high-end-end-end RF לייזר ו diodeial לייזר שבו כל מודולים.
סוגים של חומרי תזמון
בחירת החומר הימני מצופה תלוי בדרישות תרמיות, מוליכות חשמלית, עלות, עמידות קורוזיה, והתאמה עם תת-התחרר.שלושת המתכות הנפוצות ביותר - ארוחת, כסף, ניקל - לכל אחד יש יתרונות נפרדים.
תגית: Plating
(FLT:0) CopperveFLT:1) הוא סוס העבודה של התכה תרמית בשל מוליכות תרמית גבוהה שלה, דוקטריות טובה, ועלות נמוכה. נחושת אלקטרו-מחושת ניתן ליישם על כיור חום אלומיניום כדי ליצור ממשק bimetallic כי התנהגות הרבה יותר טובה מאשר אלומיניום חשוף. coperating משמש גם על לוח מעגלים מודפס (PCB) כדי לשפר את החום מפולגב, 000 לעתים קרובות, 000 של חומר הגנה על ידי יותר ממין אחד.
כסף תזמון
(FLT:0)SilverveFLT:1 מציע את מוליכות תרמית וחשמלית הגבוהה ביותר של כל מתכת. שכבת כסף מצופה על כיור חום או בלוק תרמי יכול להשיג מוליכות תרמית העולה על 420 W / mK. Silver הוא בעל ערך במיוחד בסביבות קיצוניות כגון דיודות לייזר בעוצמה גבוהה, אלקטרוניקה אווירית, וסופר-מחשבים.
ניקל פלאטינג
(FLT:0)Nickeligof 1 ; מספק איזון של מוליכות תרמית (~90 W/mK), התנגדות קורוזיה, קשיחות.זה לעתים קרובות מוחל כשכבה תחת כסף או כמו supercoat מגן סופי. אלקטרו-phosphorus alloysphorus alloys יש אחידות כסף טובה, והוא יכול להיות מיושם בדרך כלל על חום כגון נוזל מגן חובה על מנת למנוע את החמצן הנכון שלה, או למנוע את הגומי של מתכת מתאים יותר מאשר תכונות הפעלה מחדש של מתכת.
זהב ומתכת קדומה אחרים
שפע זהב משמש בעיקר עבור ההתנגדות קורוזיה שלה, מכרות מעולה, ו מוליכות חשמלית גבוהה מאוד. מוליכות תרמית שלה (~318 W / mK) הוא גם טוב, אבל עלות מגבילה את השימוש שלה במגעים קטנים, חוטי אג"ח, קשרים גבוהים של אחריות.פליום וrhodium משמשים לעתים להתנגדות קורוזיה קיצונית בסביבות קשות, אבל הם לעתים רחוקות נבחרים רק עבור ניהול תרמי בלבד.
| Material | Thermal Conductivity (W/m·K) | Common Applications |
|---|---|---|
| Silver | 429 | High-power laser packaging, RF modules |
| Copper | 398 | Heat sink coatings, PCB heat spreaders |
| Gold | 318 | Bond wires, small-area thermal contacts |
| Nickel (electroless) | 90 | Protective overcoat, solderable interfaces |
| Aluminum (bulk) | 237 | Substrate reference |
היתרונות של פתרונות תזמון עבור ניהול ה-thermal
החל שכבת בשפע לרכיבים אלקטרוניים ולמשטחי העברת חום מספק שיפורים ניכרים בביצועים תרמיים ואמינות המערכת.
הקטנת ההתנגדות הארומית ב- Interfaces
משיכת מחסנים מיקרוסקופיים ומשתלבים את התחושות של פני השטח, מגדילה את אזור המגע האפקטיבי.זה מוריד את עמידות ממשק תרמי (RirFLT:0thphFLT:1) בין, למשל, מכשיר כוח ואת כיור החום שלה. Tests הראו כי נחושת אלקטרו-מחושת על אלומיניום יכולה להפחית את ההתנגדות התרמית הכוללת ב-15–30% לעומת ממשקי אלומיניום-to-toheat.
שיפור ה-Hick Spreading
שכבת מתכת בעלת מוליכים גבוהה על פני תת-מוליכים נמוכה יותר פועלת כמפיץ חום נוסף, תוך הפניית אנרגיה תרמית מאוחר יותר הרחק ממקומות חמים.בחבילות LED, תת-קרקעית קרמיקה מסולפת נחושת יכולה להפחית את הטמפרטורה ב צומת עד 15-20 מעלות צלזיוס, תוך הרחבת חיי LED ישירות על ידי אלפי שעות.
קורוזיה משופרת ו-Oxidation Protection
הפחתה לא רק עושה חום, אלא גם מגן על החומר הבסיסי.ניקל או כסף על נחושת מונע חמצון, אשר בדרך כלל יגדיל התנגדות תרמית לאורך זמן.זה קריטי באלקטרוניקה תעשייתית, שבו רכיבה על טמפרטורה ולחות יכול להפיג משטחים לא מאוישים.
מערכות קירור קטנות יותר וקלות יותר
על ידי שיפור היעילות של נתיבי חום קיימים, בשפע יכול לאפשר למהנדסים להפחתת כיור חום או להפחית את מספר סנפירים קירור.זה בסופו של דבר להפחית את המשקל ואת נפח של פתרון ניהול תרמי הכולל - יתרון משמעותי במכשירים ניידים, avionics וכלי רכב חשמליים.
ייצור עקבי Tolerances
תהליכים אלקטרו-פלינג ואלקטרו-less יכולים להיות נשלטים בדיוק כדי להשיג עובי אחיד בתוך ±1 μm. עקביות זו משפרת את הכדאיות של ביצועי ממשק תרמי, המאפשרת שולי עיצוב הדוקים יותר וצמצום הצורך של פס תרמי או משבשים.
המונחים
שילוב מוצלח של פתרונות plating דורש הערכה זהירה של תאימות חומרית, מינוף הפרמטרים של תהליכים, ובקרת איכות.הגורמים הבאים הם הכרחיים להשגת ביצועים תרמיים אופטימליים.
חומרים מורכבים והכנות
החומר substrate חייב להיות נקי, חופשי של תחמוצות, ויש לו עודף משטח מתאים. אלומיניום, למשל, יוצר תחמוצת יליד שיש להסיר לפני השתילה כדי להבטיח חד-חמצני חזק. Zincing או ⁇ בשפע משמש לעתים קרובות להכנת אלומיניום עבור נחושת או ניקל plating. עבור קרמיקה (alumina, אלומיניום) ופלסטיק, תהליכים אלקטרו-less או PV הם מועדפים כי הם ציפוי יעיל של פעולות בלתי-מישוליות של כוח-חוללורד.
יעילות הרחבה של Thermal (CTE) התאמת
רכיבה תרמית חוזרת יכולה לגרום לדיכאון אם CTE של המתכת המצופה שונה באופן משמעותי מהסולק. Copper (CTE -17 ppm/ ° C) על אלומיניום (CTE - 23 ppm/ ° C) עובד היטב כי ההבדל הוא מתון ואת דוקטריות של נחושת קיבולת (CTE) הוא מדד כסף דק (CTE -19m / C) על סיליקון (pm) הוא 10 ° C) הוא לחץ רגיל (D) או בינוני (D) הוא לחץ בינוני (D) מוגבל (D) הוא לחץ רגיל (D) או בינוני (D) הוא 10.
המונחים: Thickness control
ההתנגדות הארסית יורדת עם עובי גובר, אבל רק עד לנקודה. מעבר ל"עומק הדומה" של דיפוזיה תרמית, מתכת נוספת תורמת מעט להפצת חום תוך הוספת עלות ומשקל.עבור נחושת על כיור חום, עובי אופטימלי הוא בדרך כלל בין 15 ל 50 מיקרומטר. . , שכבות ת'יקר עשויים גם להציג מתח חי.
יציבות סביבתית
בסביבה קשה (לחות גבוהה, תרסיס מלח, קיצוניות טמפרטורה), השכבה הענדבת חייבת לעמוד בפני קורוזיה ו tarnishing. Silver דורש מטופק מגן (למשל, ניקל או שכבת מעבר דקה) כדי למנוע sulfide tarnish. Electroless ניקל-phosphorus הוא טחן יותר מכובש טהור עבור רכב תחת אלקטרוניקה, ציפויים צלולים של אלקטרוניקה קפדנית ואפקטים של זעזועים.
עלויות ועומס
עלויות הן תמיד שיקול. Copper ו- ניקל pling הם זולים יחסית, בעוד כסף וזהב יכולים להגדיל את עלות הרכיב על ידי מספר פעמים.פלינג על כמויות גדולות של חלקים קטנים הוא עלות יעילה באמצעות חבית או קווי חתירה. עבור מינוף (רק אזורים מסוימים של רכיב), טכניקות המסכות מיוחדות או סילון בשפע ניתן להשתמש, אבל הם מוסיפים מורכבות תהליך.
מגמות עתידיות בפלינג לאלקטרוניקה
הכונן לכיוון של נחיתות כוח גבוהות יותר ב-5G, כלי רכב חשמליים וחומרה מלאכותית הוא לדחוף טכנולוגיה בשפע מעבר מתכות מסורתיות.
Graphene ו Carbon Nanotube Composite Fiting
חוקרים מפתחים אמבטיות מטבוליות המכילות גרף ננו-פליטיס או צינורות פחמן (CNTs) לתוך ממטריקס מתכת (למשל, תרכובות נחושת) חומרים אלה יכולים להשיג מוליכות תרמיות מעל 500 W / mK, תוך שמירה על CTE נמוך ומשקל אור.למרות עדיין בשלב R&D, פירוק אלקטרו-ללא אלקטרו-דמי של סרטי נחושת הראה התנהגות תרמית של מעל 500 מעלות צלזיוס-F2, 0002, 000 חשיפה נמוכה של צינורות אור.
יהלום כמו פחמן (DLC) ויהלומים
ליהלומים יש מוליכות תרמית של עד 2200 W/mK, הרבה מעל לכל מתכת.בעוד ציפויי יהלומים מסורתיים יקרים וקשה להפקיד, סרטי יהלומים כימיים (CVD) מוחלים כיום כמפיץ חום עבור נקודות מבט גבוהות של כוח ג'ון חומר גלד (Geld Metal-diamonds), כגון נחושת-LTmond, הם גם מציעים חומרים תרמיים בטווח לייזרים של CTED.
ממזרים ו- Hierarchical Coatings
על ידי שליטה בגודל של דגנים וכיוון קריסטלוגרפיה במהלך אלקטרודה, מהנדסים יכולים לייצר ציפויים nanostructured עם מוליכות תרמי מתקרב ערכים גדולים אבל עם תכונות מכניות משופרות.לדוגמה, ננווטד יש מוליכות תרמית כמעט זהה נחושת טהורה תוך כדי להיות חזק יותר באופן משמעותי.
Multilayer and Gradient Plating
תהליכים פלטינג יכולים ליצור ציפויים ⁇ או רב שכבתיים המשלבים את היתרונות של חומרים מרובים. עיצוב משותף הוא ערימה נחושת-ניקל-שליח: נחושת עבור מוליכות תרמית גבוהה, ניקל כמו שכבת מחסום, וכסף עבור ההתנגדות התרמית הנמוכה ביותר האפשרית בממשק. על ידי התאמת הרכב על פני, מהנדסים יכולים גם לנהל CTEmatchmatchact יותר. תוספת יעילה יותר ייצור עם שפע (למשל, עם טרנדים, 3D) הוא אופטימיזציה למהירויות חום על פני השטח.
מסקנה
פתרונות מטבוליזם הפכו אבן הפינה של ניהול תרמי מודרני באלקטרוניקה.על ידי יישום שכבות מתכת דקות, מאוד התנהגותיות כדי כיור חום, substrates, ממשקי רכיב, מהנדסים יכולים לשפר באופן דרמטי את הניתוק חום, להפחית את הטמפרטורות התפעוליות, ולהרחיב את תוחלת החיים של המכשיר. Copper, כסף, ניקל נשאר את פצעי העבודה של התעשייה, כל המציעה עצירות מסחר נפרדים בין ביצועים תרמיים, עלות, עלות, עלות, עלות, וגמישות, כמו ציפוי יעיל יותר, כמו גם על ידי הגנה עצמית, שמירה על בסיס יעילות, שמירה על איכות, שמירה על חומרים בלחץ, שמירה על איכות, שמירה על איכות, שמירה על איכות, שמירה על איכות גבוהה יותר ויותר, שמירה על איכות, שמירה על איכות הסביבה, שמירה על איכות גבוהה יותר ויותר, שמירה על חומרים בלחץ, שמירה על איכות, שמירה על איכות הסביבה, שמירה על איכות, שמירה על איכות גבוהה יותר ויותר, שמירה על חומרים בלחץ, שמירה על חומרים בלחץ יעיל יותר ויותר, שמירה על איכות, שמירה על איכות, שמירה על חומרים בלחץ יעיל יותר ויותר, שמירה על איכות, שמירה על איכות, שמירה על איכות, שמירה על חומרים בלחץ, שמירה על חומרים בלחץ יעיל יותר ויותר, שמירה על איכות, שמירה על איכות, שמירה על איכות, שמירה על