Modern Elektronik

Yüksek güç yarı iletken cihazlar, elektrik araç dönüştürücülerinden gelen her şeyin kalbinde veri merkezi güç malzemeleri ve endüstriyel motor sürücülerine otururlar. Bu bileşenler rutin olarak yüzlerce watt ile çalışır ve ısıtılır 500 W /cm2 gelişmiş tasarımlarda. agresif bir termal yönetim olmadan, kavurma sıcaklıkları hızla artarken, ısıtılır, ısıtılır ve 80 °C ısıtılır.

İyi tasarlanmış bir ısı yayıcı sadece ısıyı yapmaktan daha fazlasını yapar. Yarı iletkenlik ve nihai ısı batağı arasındaki ısı direnci azaltır, termal bisikletten daha düşük mekanik stres ve hatta elektromanyetik bir müdahale kalkanı olarak hareket edebilir. Güç kesintileri nasıl seçilir, tasarım ve ısı yayılımı nasıl yapılır, ısı yayılımı bir sonrakinden daha temel bir mühendislik rekabet haline gelir.

Heat spreaders nedir?

Bir ısı yayıcı, konsantre bir kaynaktan ısı alan ve daha büyük bir yüzey alanında dağıtan pasif bir termal yönetim bileşenidir. birincil hedef, yerel ısı flux'ı azaltmaktır - kullanılan ısı parçaları, fanlar veya sıvı soğuk plakalar gibi yüksek miktarda soğutma sistemleri için ölçülmelidir.

Heat spreaders genellikle düz plakalar veya yarı iletken paketle doğrudan temas yapan ekler olarak üretilir.Onlar termal arayüz materyalleri (TIMs) - yağlar, pedler, faz değiştirme malzemeleri, veya satılanlar - bu da mikroskopik hava boşlukları doldurur ve düşük ısı direncini arayüze entegre edebilir.

Herhangi bir ısı yayılımı için anahtar performans parametreleri, uçaktaki termal iletkenliği (daha hızlı ısı daha sonra yayılır), kalınlık (bağlantılı direnişi), ısı genişleme (CTE) katsayı veya diğer ölü malzemelerle ve mekanik sertlik, basınçları kuvvetlendirme mekanizmalarından desteklemek için.

Heat'in Fiziki

Isı yayılması, Fourier'in üç boyuttaki davranışı tarafından yönetilir. Yoğun bir ısı kaynağı bir plaka merkezine uygulanırken, ısı akışları dışsal olarak yayıcının düzleminde yayılabilir.Gruplatıcı direnç - ek termal direnç yarattı çünkü ısı kaynağı, ısı kaynağının ısı iletkenliği, kalınlığı ve kaynak alanının oranına bağlıdır.

Belirli bir malzeme için, kalın bir spreader bir noktaya kadar direnç azaltır, ancak yaklaşık 3-5 mm'nin ötesinde, marjinal fayda ağırlık ve maliyet artışına rağmen azalır.En uygun kalınlık, malzemenin ısı kaynağının ısı geçişi ve 10 mm'nin uzunluğuna bağlıdır. Örneğin, 10 mm'nin altındaki bir bakırın disipating 300 W'nin en az 2 mm'lik bir miktar 10°C'nin altındaki ısı artışına bağlıdır.

Neden Yüksek Güç Cihazları Etkili Bir Şekilde Söylenti

Yüksek güç yarı iletken cihazlar eşsiz bir termal meydan okuma sunuyor: ısı nesli çok küçük bir hacimde yoğunlaşıyor - genellikle silikonun ilk birkaç mikrometresi öldü.In anİLRAT:0) Ayrılmalı bipolar termal arayüz (IGBT)) modülü 1200 V ve 600 A'de derecelense, aktif silikon alanı sadece 2-3 cm2 olabilir.

Bu tür senaryolarda, ısı yayıcı üç kritik rol gerçekleştirir:

  • [FONT:0]Flux azaltımı:[Dönetici:[Dönüşünme:0)) -[Dışkan ısıyı 5-10 × üzerinde ısıyı yayarak, yerel ısı flux, geleneksel ısı bataklarının ve hava hareketçilerinin üstesinden gelebileceği seviyelere düşer - genellikle 50 W /cm2 altında,
  • [FONT:0] ⁇ tamponlama:[[Dönder:[Dönder:) Geçici yükler sırasında (başlangıç, dalgalanma olayları, yük çöpleri), yayıcı ısıyı ve ısıyınırları, ölmeyi hızlı ısı şokundan korumak.
  • [FONT:0]Structural support:[Dönetici:[Dönetici:0) Birçok sent, tüm güç modülü için temel plaka olarak hizmet eder ve soğutma donanımını ekleyecek ve üretim birimlerinde tutarlı TIM kalınlığı sağlamak için düz, katı bir yüzey sağlar.

Data from theFLETHT:0)Power Sources Üreticiler Birliği), yüksek güç dönüştürücülerinde alan hatalarının% 55'inden fazlasının, ilk kök nedeni olarak yayılan sıcak noktalarla, Proper ısı doğrudan bu başarısızlık modunu hafifletir.

Heat spreaders'de Kullanılan Malzemeler

Malzeme seçimi, ısı yayıcı tasarımındaki en etkili karardır. İdeal malzeme yüksek termal iletkenliği birleştirir, düşük yoğunluk, CTE silikona yakın (2.6 ppm/K), ve makul maliyetle üretilebilir. Pratikte tek bir malzeme tüm gereksinimleri önceliklendirir, bu nedenle mühendisler uygulama kısıtlamalarına öncelik vermelidir.

Bakır

Bakır yüksek güç uygulamalarında ısı yayıcılar için kriteri kalır. 390-400 W/m·K'nın termal iletkenliği ile, ısı kesicileri sırasında ısıtılır ve ısıtılabilir.Bu yanlış bir şekilde ısıtılır.

Alüminyum Alüminyum

Alüminyum (termal iletkenlik -200-230 W/m·K) yaklaşık yarısı bakırın yayılması yeteneğini sunuyor, ancak büyük silikonun üçte biri ağırlıkla doğrudan temasa geçti.En yüksek güç IGBT modüllerinde, alüminyum sık sık sık ağırlıkta bakır ekleme ile birlikte kullanılır.

Graphite ve Pyrolytic Graphite Sheet (PGS)

Bir pirolytic grafiklere sahip olan Anisotropic grafiği, uçakta hızla yayıldı, ancak 800 W /m·K'yı aştı - sadece 2.2 g /cm3 yoğunluğuna sahipken, bu malzemeler etkili 2D iletkenler: ısı hızla hızlanıyor, ancak yüksek yarı iletkenli laminat modüller ile çok kötü davranır (tipik olarak 10-20 W /m·K). Bu, onları daha ince, büyük boşluklar için en iyi yayılabilir, akıllı telefonlarda yayılabilir.

Elmas ve Elmas Kompozitler

Sentetik elmas en yüksek bilinen termal iletkenliğe sahiptir - 2200 W /m·K için tek kristal malzeme ve 1200-1500 W /m·K poli kristalal sıvı diyotları için (CVD) elmas. Elmas ayrıca, maliyetle ikincil olan bazı uzay güç modüllerine sahiptir.Bu ideal özelliklerine rağmen, elmas ısısı ısınıcılar pahalı ve küçük-sağlık lazerleri ile yaklaşık 600 ila 6,5 ila 6,2 inç daha düşük çözünürlükte görünür.

Kompozitler ve Gelişmiş Malzemeler

Metal matrix kompozitleri (MMC) gibi AlSiC (aluminum silikon sıtma) ve bakır-t Morgan, orta termal iletkenliği korumak için tasarlanmış CTE değerleri sağlamak için mühendisidir. AlSiC, örneğin, CTE eşlemenin binlerce ısı iletkenliği ile satılmasını engelleyen CTE / CTE / CTE (kırık) ve bir sonraki 3 inçlik bir sonraki ticari optik / cm3 yoğunluğu - bakırdan daha hafiftir.

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

Heat spreaders için tasarım göz önüne alınır

Bir malzeme seçmek sadece ilk adımdır. Geometri, arayüz ve entegrasyon yöntemi tüm son termal performansı etkiler. Mühendisler tasarım aşamasında birkaç birbirine bağlı faktör değerlendirmelidir.

Direnç Optimizasyonu

Bir merkezi olan dikdörtgen plaka için yayılan direnç denklemi, dirençin yayıcı kalınlık artışları azaltdığını ve her yöndeki uçların tam olarak daha sonra yayılmaya devam etmesi gerektiğini gösteriyor.Eğer yayılmacı kalınlık genellikle yüzde 25-35 oranında azalırsa, ilişki çok kalınsa, eksper. Finite element simülasyonları, yayılmacının her yöndeki en az bir özelliğin daha sonra yayılmak için en az bir özelliğin ötesine geçmeleri gerektiğini ortaya koyuyor.

Termal Interface Malzemeler (TIMs)

En iyi ısı yayıcısı bile, en yüksek ısı iletkenliği ve en düşük olası çelik kalınlığına sahip olan bir malzeme ile yüksek çözünürlükte veya yüksek güvenilirlikleri ile, yüksek çözünürlükte bulunan bir malzeme ile TIMs (indium, tin-silver-copper alaşımları) genellikle 50-80 W /m·K ve dalgalamalar ile yüksek çözünürlükte tercih edilir.

CTE Matching

Ortam sırasında farklı oranlarda yayılmak ve ölmekte olduğunda, mekanik stres arayüzde geliştirir. binlerce döngüden fazla, bu stres, TIM'in kırılmasına veya silinmesine neden olabilir. Endüstri standardı, büyük bir güvenilirlik problemlerini önlemek için CTE'yi tutmaktır (> 10 mm'yi doğrudan doğruya doğruya doğru düzgün bir TIM katmanı veya CTE-gradlı interposer (örneğin, bakır-molybdenum kompozit).

Üretim Yöntemleri ve Maliyet

Heat spreaders, endüstriyel modüller için karmaşık şekiller, bakır kesim veya lazer kesimden imal edilir, sonra yapıştırıcı tabakaları ile döşenmiştir.Seksli yüksek hacimli tüketici ürünleri için genellikle yüksek hacimli ürünler için karmaşık şekiller ısıtılırken, alüminyum çarşaflar için karmaşık şekiller ısıtılır.

Soğutma Sistemleri ile entegrasyon

Bir ısı yayıcısı yalnız çalışmaz - ısıyı veya sıvı soğuk plakayı içeren tam bir termal yönetim sistemine entegre edilmelidir, sıcak bir yüzeyde sıcaklık azalır ve muhafaza edilir.The spreader's activity is en iyisidir when the downstream soğutma system can remove hoter provides it.If the hot orzhi cold plaka, Yüksek ısı direnci varsa, spreader sadece sıcak bir yüzeyde sıcaklık eşitleşir ve sınırlı fayda sağlar.

Hava soğutmalı sistemlerde, spreader genellikle bir TIM tabakası ile bir finize ısı batılır.Gruplu, ısı batağı üssüne kadar ısıtılır, finişleri daha düzgün bir şekilde çalıştırır ve toplam ısı direncini % 15-25 azaltabilir ve aynı anda ısıtılabilir.

Aşırı güç kesintileri için - lazer diyot dizilerinde veya radar vericilerinde bulunanlar gibi - ısı yayıcıları, jet dürtü veya sprey soğutma gibi gelişmiş soğutma teknikleri ile birleştirmektedir.Bu sistemlerde, yayılma yüzeyi olarak, birden fazla küçük kaynaktan ısı dağıtma yaparken doğrudan sıvı soğutma yapar.

Uygulama-Specific Örnekler

IGBT Power Modülleri

Tipik 1200 V /600 A IGBT modülü, traksiyon sürücülerinde kullanılan bir IGBT ve diyotun altı ila on iki IGBT ve diyot, doğrudan bakır (DBC) substratına satıldı, bu sonra bir bakır veya AlSiC üssü plaka, bakırın üzerindeki yüksek çözünürlükte, CTE'ye kıyasla daha iyi bir ısı geçişi sağlamak için daha iyi bir ısı geçişi sağlar.

Yüksek-Brightness LEDs

Otomotiv kafaları, stadyum aydınlatma ve projeksiyon sistemleri sadece 1-4 mm2'nin ölü bir alanından 50-200 W ısı üretiyor. ısı flux, doğrudan for bozulması ve renk geçişi önlemek için 500 W /cm2'yi aşıyor.En yüksek güç LEDleri, 10 A'dan daha az bir seramik paketinde bulunan bir bakır veya alüminyum bir slug kullanıyor.

RF Güçlendiricileri

Gallium nitride (GaN) RF transistörleri temel istasyonlarda ve radar sistemlerinde yoğun ısıyı kapı kenarından çıkarır, 800 W/cm2'yi aşabilecek sıcak noktaları oluşturur. Bu cihazlar genellikle GaN wafer veya tahvilli yüzeylerde yetiştirilen elmas ısıtılır. elmaslar, bakır veya alüminyum paketine ulaşırken, doğrudan 200 °C'nin altındaki kanalı ısıyı korur.

Trendler ve Gelecek Yolları

Elektrik araçlarında yüksek güç yoğunluğuna karşı sürekli zorlama, 5G altyapısı ve yenilenebilir enerji dönüştürücüleri ısı yayıcı teknolojisindeki inovasyonu sürüyor. Çeşitli eğilimler izlemeye değer.

Graphene ve Karbon Nanotüp Kompozitler

5000 W/m·K teorik termal iletkenliği ile yoğun araştırma ilgilerini üretti. Pratik grafikte ısı yayıcıları şimdi birkaç katmanlı film veya polimer veya metal matrisler ile rekabet ediyor. Ticari grafikte-enhanced termal filmlerin entegrasyonu zaten 1000-1500 W /m·K 100 μm altında kalınarak, onları pirolytic grafiklerle rekabet ediyor.

3D-Yazılmış Heat spreaders

Ek olarak üretim, ısı kaynaklı yöntemlerin üretilmesi mümkün değildir - uygun soğutma kanalları, lattice yapıları ve işlevsel olarak düşük değerli malzemelerle karşılaştırıldığında, doğrudan metal lazer sintering (DMLS) hızla yazıcı hızları ve hacimleri ile entegre soğutma kanallarını kullanarak bakır ve alüminyum yayarlar üretebilir.

Aktif Termal Yönetim

Pasif ısı yayılıp aktif soğutma arasındaki sınır bulanıkdır. Bazı tasarımları şimdi alt yük altında ısınan ince termoelektrik soğutucuları (TECs) kendi başına, önümüzdeki beş yıl içinde ticari ürünlerde görünmesi bekleniyor.

Güç Modülleri'nde Gömülü Heat

Bir sonraki güç modülü tasarımları, ısıtıcı uçları tamamen entegre termal çözümlere doğru hareket ediyor. Woven karbon fiber, elmas kompozitleri ve metalik köpükler doğrudan modüle dahil ediliyor, ayrı bant tabakasını ortadan kaldırır ve ısı arabirimlerini azaltır. Bu entegrasyon, endüstri için 10-30% ve yeni bir kriter oluşturuyor.

Mühendisler için Pratik Rehberlik

Yüksek güç yarı iletkenleri için termal yönetim sistemlerinin tasarlanması için, ısı yayılımının seçimi yapısal bir karar süreci takip etmelidir:

  1. Hedef uygulama için maksimum kavim ısı gereksinimini hesaplayın ve marjları azaltır.
  2. Ölme boyutunu, toplam güç dağılımını ve ısı flux dağıtımını (uniform veya konsantre).
  3. Tahmini direnç gereksinimi analitik denklemler veya erken aşama simülasyonu kullanarak tahmin edin.
  4. Adayın ısı iletkenliği, CTE maça dayanan ve maliyet kısıtlamalarına dayanan malzemeler seçin.
  5. Gürültülü kalınlığı ve ayak izi ağırlık ve hacim sınırları içindeyken en aza indirmek için tasarlayın.
  6. Uygun TIM'yi seçin ve basınç sıkıştırması olmadan arayüz direncini değerlendirin.
  7. Tam termal yığın (die, TIM, spreader, TIM, ısı batağı) geçici yükleme de dahil olmak üzere en kötü koşullardan oluşur.
  8. Termo çiftleri, kızılötesi termografi veya termal test kullanılarak prototip testleriyle geçerlidir.
  9. Hedef yaşam boyu mekanik güvenilirliğini doğrulamak için hızlandırılmış termal bisiklet testleri (genellikle 10.000-100,000 otomotiv ve endüstriyel uygulamalar için döngüler).

Bu süreçte, yarı iletken cihaz ekibi ile termal yönetim ekibi arasındaki yakın işbirliği önemlidir. Sistem toplantısından sonra tasarlanmış bir ısı yayılır ve CTE davranışı erkenden başarısız olacaktır.En başarılı tasarımları yarı iletken paketin ayrılmaz bir parçası olarak, sistem meclisi sırasında cıvatalanmamış bir parça olarak tedavi eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Heat spreaders, yüksek güç yarı iletken cihazların termal yönetiminde temel bir bina bloğudur. Daha büyük bir alanda yoğunlaşarak, maliyetle soğutma çözümlerinin kullanımını sağlar ve her elektronik, ısı kesicilerin yıkıcı etkilerinden hassas olarak korumayı korurlar.Bugün mevcut malzeme seçenekleri, bakır ve alüminyumdan elmas ve kompozitlere - tasarımcılara termal performans, ağırlık, CTE eşleştirme ve maliyetle ilgili temel kavramları anlamak için güçlü bir araç verir.