Sıcaklık yönetimi modern elektronikteki en kritik sorunlardan biridir. Cihazların büyüklüğü ve güç yoğunluğunda artışları, performans, güvenilirlik ve güvenlik için bir derece önemlidir.Bu makale, ısı dağılımı için kullanılan birçok teknik arasında, kaplama, ısı dağılımını doğrudan artıran bir yüzey mühendisliği yöntemi olarak öne çıkar.Bu teknoloji, elektriksel kaplamaları anahtar bileşenlere uygulama yoluyla, mühendisler ısı iletkenliği artırabilir ve yüzeyler için yüzeyleri azaltabilir.Bu makale, ısı dağılımı için kullanılan birçok teknik arasında, malzeme ve süreçler yer alır ve bu teknolojiyi etkili bir şekilde çalışır.

Elektronikte ısı Dissipation Anlamak

Heat dağılımı, ısı kaynağından uzaklaşan ve transistörlerden uzak olan süreçtir -tipik olarak aktif bir yarı iletkenlik - aşırı güvenli sınırları aşmanın önlenmesi. Elektronikte, ısı öncelikle dirençli kayıplarla üretilir (Joule ısıtma) ve transistörlerin kaybolup geçişleri ile yapılır.Eğer bu ısı hızla kaldırılırsa, cihaz performansı artır, sızıntı akımları artırabilir ve nihayetinde felaket başarısızlığı meydana gelebilir.

Sıcaklık transferinin üç temel modu, ısı geçişi ve radyasyondur. Çoğu elektronik toplantıda, katı malzemelerle hareket eder ve hava kirliliğine karşı konveksiyon doğrudan Fourier'in yasasını takip eder.

Anahtar bir konsept termal direnç, genellikle elektriksel bir analog olarak modellenir. Her katman - ölmek, termal arayüz materyali, ısı yayılımı, ısı batağı - eks direniş. Plating, köprü boşluklarının ve ıslak geçirgenliğinin arttırılmasına yönelik son derece etkili bir yol sağlayarak direnişi azaltır.En iyi ısı lavabo tasarımı bile tam potansiyelini elde edemez.

Termal Yönetimde Plating Rolü

Plating, bir substrata (veya alaşım) ince bir metal tabakasını bir substrata yatırmak, tipik olarak elektroplating veya elektroz depozisyon tarafından.Bu kaplamanın ısı dağılımını artırdığı birincil mekanizma, bileşeninin yüzeyinin etkili termal iletkenliğini artırmaktır. Örneğin, bir nikel kaplama bakır ısısı, bakırın üst iletkenliği ile nikelin yapısal gücünü birleştirebilir, ancak kaplamanın kendisi gereksiz termal direnci eklemekten kaçınılmalıdır.

Daha da önemlisi, kaplama ısı temas direncini azaltır. İki sağlam yüzeyler birlikte basıldığında, mikro yırtıkları doldurmanın sadece küçük bir kısmı aslında yüzey kabalığı nedeniyle dokunur.Bu etki özellikle CPU soğutucuları ve güç modülleri gibi yüksek güç uygulamaları ile doludur.

Plating ayrıca, metallerin metali oxidasyon ve korozyondan korur. Birçok yüksek iletkenlik metalleri, cihazın ömrü boyunca bakır ve gümüş, tarnish veya o oksite gibi, ince bir tabaka oluşturmak.

Plating ve onların Termal Özellikleri

Doğru kaplama materyalini seçmek, uygulamanın termal, mekanik ve çevresel gereksinimlerine bağlıdır. Aşağıdaki tablo ortak kaplama metallerini ve yaklaşık termal davranışlarıyla ilgilidir:

  • [Uygun:0)Silver (Ag)[DÜDÜT:1)[DÜye Olmayanlar İçin En Yüksek Termal Kristallik, Yüksek Lisanslı termal bileşiklerde, konektörler ve özel ısı parçaları, düşük fiyatta ısı performansı %10'a kadar yükseltebilir.
  • [FONT:0]Copper (Cu)) - 401 W/m·K. Mükemmel iletkenlik ve gümüşten daha düşük maliyet, alüminyum ısı parçalarında yüzey iletkenliği artırmak için yaygın olarak kullanılır, devreler üzerinde ve liderlik çerçeveleri üzerinde, bakır oksitler kolayca gerektirir, bu yüzden sık sık sık daha fazla koruyucu bir tabaka gerektirir.
  • [Au) [Düzücük:0) Altın (Au)[Dönetici:0)[Düzücük) ve yarı iletkenlik, sert ortamlardaki güvenilirlik kritiktir.
  • [Al)[Düzücü:0) [Düzücü: 237 W/m·K. genellikle bir kaplamadan ziyade bir substrat malzemesi olarak kullanılır, ancak saf alüminyum kaplama hafif termal yönetim için çelik veya diğer metallere uygulanabilir. oksit tabakası gereklidir.
  • [FONT:0)Nickel (Ni)[Dönetici: 9 W/m·K. Düşük iletkenlik ama mükemmel sertlik ve korozyon direnci. Nickel kaplama genellikle altın veya bir diffüzyon bariyeri için bir alt kat olarak kullanılır.
  • [Sn)[Dönetici:0)[Dönetici:0)Tin (Sn)[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönemli))[Dönemli) ve ucuz. Tin kaplama, satılan termal arayüzler için ıslak kullanılabilirlik sağlar ve düşük erime noktasını önlemek için kullanışlıdır.

nikelfobisphorus (elektroz nikel), bakır-tin (vücut), ve gümüş-palladium da iletkenlik, sertlik ve maliyet arasındaki belirli ticaret noktaları için istihdam edilir.

Plating Processes: Electroplating vs. Electroless Plating

İki ana işlem termal kaplama için kullanılır:

  • [FONT:0]Seçkinlik[Dönlendirme[Dönlendirme[Dönlendirme[Dönlendirme), bir çözümden, iletken bir substrata kadar metalleri azaltmak için bir elektrik akımı kullanır. Hızlı, maliyet etkindir ve kesin kalınlık kontrolü sağlar. Ancak, düzensiz şekillerdeki üniforma için karmaşık mevcut yoğunluk dağılımı gerektirir ve bazı metaller (örneğin, alüminyum) doğrudan bir grev katmanı olmadan elektro kaplama katmanız olabilir.
  • [FONT:0]Seçsiz kaplama[[DÜDÜDÜ) otomatik olarak kimyasal azaltımı sağlar. Dış akım gerekli değildir, bu nedenle kaplamalar karmaşık geometrilerde ve içerideki elektrot nikel-fosforus (ENIG) baskılı devreler için popüler bir seçimdir çünkü her iki üretici ve korozyon koruması sağlar.

Her iki işlem de kontrollü kompozisyon ve mikroyapı ile alaşımları yatırmak için ayarlanabilir. Örneğin, elektroz nikel farklı fosfor içeriğine sahip olabilir: yüksek fosfor yatakları morf ve daha az iletkendir, düşük fosfor yatakları daha yüksek termal iletkenlik ile kristaldir. benzer şekilde, elektrotoksit nikel, termal taşımayı en üst düzeye çıkarmak için optimize edilmiş tahıl büyüklüğü ile yapılabilir.

Interfaces Heat Transfer Nasıl Geliştirilir

Sıcaklık dağıtımına girişin en önemli katkısı genellikle malzeme arayüzlerindedir - bir ısı kaynağı ve ısı lavabosu arasındaki ya da bir ısı boru ve bir montaj üssü arasında. Her iki metalin yüksek iletkenliği olduğunda bile, temas direnci bu direnci birkaç şekilde azaltabilir: Plating bu direnci birkaç şekilde azaltabilir:

  • [FONT:0) Mikro-gaps'ı genişletin: Yumuşak kaplamalar (indium, tin, lead-free satıcılar) baskı altında plastik olarak deforme edilebilir ve hava boşluğu azaltılabilir.Bu, metal yüzeylere kıyasla% 50-80 oranında daha düşük temas direnci azaltılabilir.
  • [FONT:0)Köpek arayüz malzemeleri için göz atıyoruz (TIMs):[DÜT:1) Birçok TIM salakları ve satılanlar temiz ve yüksek bir yüzey enerjisine sahip. Plating (özellikle altın veya gümüş), ince bir bağ hattını azaltıp garanti altına almak için teşvik eder.
  • [FONT:0) Bir difüzyon bariyeri iletebilirsiniz: satılan ortaklarda, konmetalik bileşikler düşük termal iletkenliği olan form verebilir. Bir nikel tabaka kaplama bariyer olarak çalışır, bakır veya silikonun difüzyonunu zamanında daha yüksek bir iletkenliği korumak ve zamanla daha yüksek bir ortak tutabilir.
  • [FONT:0) İnce katmanlarda yayılan ısıyı geliştirmek: Plakt fins veya mikro kanal duvarları tek başına temel malzemeden daha yüksek etkili iletkenliğe sahip olabilir. Örneğin, alüminyumdan yapılan bir ısı lavabosu daha sonra ısıyı yayan bir kaplama olabilir.

Termal Interface Direnişi ve Plating

Termal arabirim direnci (R)[[Dönetici:0) ısı flux tarafından bölünmüş bir ortaktır. Açık metal kontaklar için, değerler 5 cm2|K/W, basınç ve kabalığa bağlı olarak,% 0.5 ila 5 cm2.

Mühendisler genellikle R) [[Dönetici:0) [Düşükümlü ASTM D5470 test yöntemi kullanılarak, plakalı ile aynı koşullardan örneklerle karşılaştırılırken, verilen bir kaplamanın faydaları ölçülebilir. Örneğin, gümüş kaplamalı bakır ısıları üzerinde bir çalışma, bakırın toplam ısıtılması ile karşılaştırılarak toplam ısıtılması için% 12 azaltımı gösterdi.

Tasarım konuları, kaplama kalınlığı, sertlik ve ısı genişleme katsayısı (CTE) CTE'deki bir yanlış eşleştirme sıcaklık döngüleri altında delaminasyona neden olabilir, bu yüzden plakalı tabakalar stresle ilgili yeterince ince olmalıdır, ancak pin deliği korozyondan kaçınmak için yeterince kalın.

Elektronik Cihazların Uygulamaları

Sıcaklık dağıtımı için kaynaklanması neredeyse her elektronik segmentinde kullanılır. Aşağıda belirli termal gereklilikleri ile temsilci uygulamaları vardır.

Akıllı telefonlar ve Tabletler

Kompakt cihazlarda, ısı, kullanıcının elinin üzerinde sıcak noktalardan kaçınmak için hızla yayılmalıdır. Bu cihazlardaki alüminyum veya bakır çerçeveler genellikle işlemci ve bataryaya temas noktalarında altın veya nikel kaplamadır. Birçok yüksek uçlu akıllı telefon, nikel kaplama bakır wick yapılarını kapillary aksiyonunu ve termal iletkenliği artırmak için içerir.

CPU ve GPUs

Bir CPU'nun entegre ısı yayıcısı (IHS) genellikle nikel kaplama bakırdır. nikel tabaka, bakırı korozyondan korur ve termal salaklarla uyumlu bir yüzey sağlar. Bazı meraklı ısı lavaboları, sadece birkaç ölçümde artış elde etmek için tamamen gümüş kaplamadır - fazla bir süre boyunca anlamlı bir kazanç sağlar.

Power Electronics ve LED Modüller

Yüksek performanslı LEDler çip seviyesinde yoğun ısı üretir. Plakt alüminyum tabanlı metal-core baskılı devre tahtaları (MCPCB) yaygındır; alüminyum temel genellikle bakır devre katmanını sağlamak için elektrotsasız nikel kaplamalar ve aynı şekilde LED'i substrata bağlar.

RF ve Mikrodalga Bileşenler

Radyo frekansı modüllerinde, ısı dağılımı elektrik iletkenliği ile dengeli olmalıdır. Altın kaplama düşük elektrik direnci ve korozyon direnci için tercih edilir ve aynı zamanda yeterli termal taşıma sağlar. Waveguides and cavity resoners may be silver- cover to improve both electric and term performance.

Otomotiv ve Havacılık Elektronik

Bu ortamlar vibrasyon ve termal bisiklet altında yüksek güvenilirlik talep ediyor. Elektrikli araç dönüştürücüleri için ısınıyor, ağırlık tasarrufu için genellikle bakır kaplama alüminyumu, kororlu otomotiv sıvılarına dayanacak ek bir nikel tabaka ile.Uzman bileşenleri, yüksek sert ve termal iletkenliği sağlayan elektrot nikel kaplamaları kullanır.

Plak Çözümlerinin Etkililiğini Ölçmek

Yüzey performansını doğrulamak için mühendisler termal, mekanik ve elektrik testleri bir kombinasyonunu kullanır:

  • [FONT:0] ⁇ iletkenlik ölçümü: [DDÜT:1] Lazer flaş yöntemi (ASTM E1461) termal diffusivity. Plad folyolar, ücretsiz olarak kabul edilebilir veya üç-omega yöntemi veya geçici uçak kaynağı (TPS) tekniği kullanılarak değerlendirilmektedir.
  • [FONT=0] ⁇ arayüz direnci ölçümü:[Dönetici: [Dönetici:0) Bir ısı flux sensörü ve termo çiftleri kontrollü baskı altında kullanarak, bir plakalı arayüzdeki sıcaklık azalır.Bu test, TIMs ve plakalı yüzeyler için önemlidir.
  • [FONT=0)Adhesion ve güvenilirlik testleri: Plak tabakaları termal şoka maruz kalıyor (-55°C +125°C) nem (85°C/85%RH), ve kaplamanın servis koşulları altında delaminate olmasını sağlamak için mekanik hear.
  • [FONT:0)Corrosion direnişi: [DÜDÜDÜSTRİYE] Salt sprey testi (ASTM B117), kaplamanın zamanla ısı iletkenliği koruyacak olan oxidasyondan substratı koruduğunu değerlendirmektedir.

Bu testlerden gelen sayısal veriler maddi seçimi yönlendirir. Örneğin, bir üretici, gümüş ve bakır kaplama arasında maliyete dayalı seçim yapabilir, gümüşün% 7 daha yüksek iletkenlik sağladığını bilmek ancak gram başına 10× daha fazla maliyet sunar. yüksek hacimli tüketici elektronikinde, ince bir nikel flaşla bakır genellikle en iyi denge sağlar.

Meydanlar ve düşünceler

Kapak güçlü bir araçtırken, sınırlamalar olmadan değildir. Mühendisler dikkate almalıdır:

  • [FONT=0]Cost'un yararına karşı:[Döneticileri önemli ölçüde artan bir şekilde yükselten metal kaplamalar için, bir nikel veya tin kaplama yeterlidir.
  • [[Düzg:0)Thickness kontrolü: [Dönetici:[Dönetici:0) Çok kalın bir kaplama termal direniş ekleyebilir çünkü kaplama materyalinin kendisi substrattan daha düşük iletkenliğe sahip olabilir (örneğin, bakırda nikel).
  • [FONT:0]Diffüzyon ve metalsel formasyon: [DFLT:1] Yüksek sıcaklıklarda altın, metalik olarak kullanılan metallere (AuSn) yükseltilir.
  • [FONT=0)Porosity: [DÜDÜT:1] İyi kaplama yüzeyler bile korozyonun başlatılmasına izin veren mikroskobik pin deliğe sahip olabilir. kritik uygulamalar için, çoklu katmanlar (örneğin, bakır + nikel + altın) kırmızıdans sağlar.
  • [FONT:0)Environmental düzenlemeler:) Bazı kaplama süreçleri tehlikeli kimyasal kimyasalları kullanıyor veya atık üretiyor. tin-bismuth veya çinko-nickel gibi alternatifler yeşil elektronik için araştırıyor.

Bu zorluklara rağmen, kaplama, tüm termal sistemi yeniden tasarlamadan ısı dağılımını artırmak için en uygun yollardan biri olarak kalır. Gelişmiş TIMs ile bir araya geldiğinde, plakalı yüzeyler bir sonraki yüksek güç elektroniklerinin nesillerini sağlar.

Termal Yönetim için İçeren Gelecek Trendleri

Daha iyi ısı dağılımı için talep, kaplama teknolojilerinde inovasyonu kullanmaya devam ediyor.

Kompozit ve Alaşım Plating

Araştırmacılar yüksek oranda yüksek oranda betonlu partikülleri barındıran elektrotositikler geliştiriyorlar (örneğin, grafikene, karbon nanotüpler, elmas) metal bir matrixe kadar bakır katlı kompozit kaplamalar teorik olarak 500 W /m·K. Erken sonuçlar laboratuvar testlerinde% 20-30'u saf bakır gösteriyor, ancak ölçeklendirme bir meydan okuma olmaya devam ediyor.

Seçici ve 3D Plating

Gelişmiş katkı üretim teknikleri, karmaşık 3D baskılı ısı batakları üzerindeki seçici kaplamalara izin verir. Tüm bir yüzey kaplama yerine, kaplama sadece yüksek kaliteli bölgelerde depolanabilir, maliyet ve ağırlık azaltır. Bu yaklaşım zaten veri merkezleri için sıvı-cold plakalarda kullanılır.

Nanoyapılı Kaplamalar

Kontrollü nanoyapılarla metallerin elektrotoksitleri - nanotwinned bakır gibi - elektriksel iletkenliği tahıl sınırlarında elektron saçlarını azaltarak artırın. Nanotwinned bakır, 400 W /m·K'yı aşan iletkenliği sergilemiştir.

Çevre dostu Alternatifler

Hexavalent Kromium ve cyande bazlı banyolar üzerinde düzenlemeler yeşil kaplama kimyagerlerinin geliştirilmesini teşvik ediyor. Ionic sıvı bazlı alüminyum ve magnezyumun elektroplatingi, metaller tarafından toksik olmayan yüksek iletkenlik kaplamaları sunabilir.

Elektronik cihazlar daha yüksek güç kesintilerine doğru trende devam ettikçe, yüzey mühendisliğinin rolü sadece dekoratif bir bitirmek değildir - doğrudan termal performansı, güvenilirliği ve maliyeti etkileyen işlevsel bir katmandır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Plating, elektronik cihazların termal yönetiminde vazgeçilmez bir teknik haline geldi.Köpek iletkenliği artırmak, temas direncini azaltmak ve korozyon koruması sağlamak, ince metal kaplamalar güvenli çalışma sıcaklıklarında hassas bileşenler tutmalarına yardımcı olur.Bu yüzyıllar boyunca ısı lavaboları yüksek kaplama alüminyum çerçevelerde, yüksek tavanlı alüminyum çerçevelerde performans, güvenilirlik ve maliyetle dengeye güveniyor.