Transport tepla v elektronice

TRANSPORT TEPLA V ELEKTRONICE

TEPLO V ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍCH

Tepelné poměry v elektronických zařízeních významným způsobem ovlivňují jejich spolehlivost. Doporučovaná maximální teplota polovodičového přechodu se udává v rozmezí 150^oC až 200^oC. V případě, že není uvolňované ztrátové teplo dostatečně odváděno, dochází k změnám elektrických parametrů zařízení. Každé snížení teploty o 10^oC prodlužuje životnost polovodiče o 10^2,5. Z tohoto důvodu je nutno věnovat velkou pozornost tepelným poměrům v elektronických sestavách.

• Výpočty chlazení elektronických součástek s řešenými příklady
• Teplovodive materialy - nabídka
  
  

ZÁKLADNÍ APLIKACE TEPLOVODIVÝCH MATERIÁLŮ

• zlepšení odvodu uvolněného ztrátového tepla z elektronických součástek včetně lepení HIO a mikroprocesorů k chladičům
• zlepšení přechodu tepla v senzorech teploty

 

DŮLEŽITÉ PARAMETRY PRO VÝBĚR TEPLOVODIVÝCH MATERIÁLŮ

- z hlediska aplikace(počáteční viskozita, doba zpracovatelnosti, způsob a doba vytvrzování, způsob aplikace při výrobě-ruční dávkování, sítotisk, dávkovací automat)

- z hlediska konečných vlastností materiálu (tepelná vodivost, maximální a minimální provozní teplota, odolnost proti stárnutí a vlivům prostředí, dielektrická pevnost, objemová rezistivita, dielektrická konstanta, CTI, adhese na použité materiály, tvrdost, pevnost v tahu, koeficient tepelné roztažnosti atd.)

ZÁKLADNÍ MATEMATICKÉ VZTAHY PŘI SDÍLENÍ TEPLA V NEHYBNÉM PROSTŘEDÍ

Sdílení tepla je sdílení energie mezi molekulami a atomy. Rozlišujeme trojí způsob sdílení tepla, a to vedení (kondukcí), proudění(konvekcí) a sálání (radiací).

Při použití dále uváděných teplovodivých hmot je základním mechanismem sdílení tepla vedení (kondukce)v nehybném prostředí

TEPELNÁ VODIVOST l(součinitel tepelné vodivosti, měrná tepelná vodivost) je vlastnost prostředí a obecně závisí na teplotě, tlaku a složení systému. Jednotkou tepelné vodivosti je [Wm^-1K^-1]. Dříve užívaná jednotka byla 1 kcal h^-1 m^-1K^-1. Vztah mezi nimi je 1 kcal h^-1 m^-1K^-1 = 1,163 Wm^-1K^-1. Hodnota tepelné vodivosti značně závisí na druhu materiálu a na jeho skupenství.

Tepelná vodivostl[Wm^-1K^-1] při jednotkové ploše a za jednotku času je dána vztahem l=qd/D t , kde q je hustota tepelného toku [Wm^-2], d je tloušťka vrstvy [m],Dt je teplotní rozdíl [^oK nebo ^oC]. Tento vztah platí pro rovinnou stěnu..

TOK TEPLA Q [W] ve směru kolmém k rovině

desky složené z n vrstev. Aje plocha [m²].

 

 

 

Z uvedeného vztahu pro výpočet tepelného toku Q vyplývá zásadní důležitost tepelné vodivosti l pro řešení problémů s vedením tepla. Čím je větší je tato hodnota tím je lepší vedení tepla. Pro ilustraci jsou v připojené tabulce uvedeny její hodnoty pro některé běžně užívané materiály.

ZÁKLADNÍ POUŽÍVANÉ TEPLOVODIVÉ MATERIÁLY

1) teplovodivé (kontaktní) pasty

2) teplovodivé zalévací hmoty

3) teplovodivé folie

ad 1)

-teplovodivé (kontaktní) pasty. Jsou používány již několik desetiletí a jsou proto nejznámější. Jedná se o polysiloxany plněné anorganickými oxidy.

Příklad :Dow Corning 340 Heat sink compoud

Dow Corning Ň 340 Heat sink compound je silikonový materiál ve formě vazelíny obsahující velké množství tepelně vodivých oxidů kovů. Tato kombinace zajišťuje vysokou tepelnou vodivost, nízká tekutost a vysokou tepelnou stabilitu. Výsledná látka nevyschne, neztvrdne, nebude se tavit a to dokonce ani po dlouhodobém vystavení teplotám do 200° C. Zlepšuje přenos tepla z elektrických/elektronických zařízení na chladič a tím zvyšuje celkovou účinnost přístroje.

Dow Corning 340 Heat sink compound se požívá pro zlepšení odvodu tepla z tranzistorů, diod a dalších výkonových polovodičových prvků na rozhraní mezi příslušnou výkonovou součástkou a chladičem. Je to také vhodný tepelný spoj pro všechny zařízení na odvod tepla tam, kde se vyžaduje efektivní chlazení.

Dow Corning 340 Heat sink compound se také používá jako povlak pro potlačení vysokonapěťové koróny v televizních přijímačích a u podobných aplikací.

ad 2)

zalévací hmotyvětšinou na bázi plněných silikonových elastomerů. Použití silikonů je vhodné zejména při zalévání a lepení materiálů s rozdílným koeficientem tepelné roztažnosti. Většinou se jedná o dvousložkové systémy. Tyto materiály se vyznačují vysokou tepelnou vodivostí, výbornými elektrickými parametry a snadnou zpracovatelností.

Příklad 1: Dow Corning Sylgard Q3-3600

SylgardŇ Q3-3600 Thermally Conductive Encapsulant je nízkoviskózní teplotně vodivý silikonový elastomer vytvrditelný teplem. Po vytvrzení vytvoří tento dvousložkový materiál adhezivní vazbu. Část A je bílá, část B je šedá. Tyto dvě části jsou smíchány v poměru 1:1.

Tento produkt má k většině povrchů dobré adhezivní vlastnosti , včetně keramiky, kovů jako je hliník, měď, nikl a nerez ocel, sklo a mnoha průmyslových plastů.

Sylgard Q3-3600 Thermally Conductive Encapsulant je speciálně navržen pro licí aplikace, kde je zvláště důležitý přenos tepla. Pružná povaha tohoto materiálu způsobuje, že se přizpůsobuje velkým změnám teploty bez zatěžování citlivých součástek vysokým mechanickým napětím. Mezi typické aplikace patří zalévání senzorů, vysokonapěťových transformátorů, tiskových hlav a vysokonapěťových modulů.

                        Charakteristické znaky

* vysoká tepelná vodivost při zachování elektrických izol. vlastností

* Výborné dielektrické vlastnosti

* Dobrá teplotní stabilita, zvláště při vysokých teplotách

* Pružný

* Dlouhá doba použitelnosti

* Odolnost vůči reverzním změnám

* Žádné vedlejší produkty při vytvrzování

* Rychlé vytvrzování teplem

         bez potřeby základního nátěru (primeru)

 

Příklad 1: Dow Corning 3-6385

Dow Corning 3-6385 Thermally Conductive Encapsulant chrání proti vlhkosti a nepříznivým vlivům okolního prostředí, proti mechanickým a tepelným šokům i vibracím. Typickou aplikací je zalévání vysokonapěťových traf a dále zapouzdřování senzorů.

                        Charakteristické znaky

* dvousložkový systém, míchání 1:1

* vytvrzení při normální teplotě nebo při zvýšené teplotě

* adiční systém-při vytvrzování nevznikají žádné vedlejší produkty

* stabilní a pružný při teplotách od -50^oC do 200^oC

* pružný kaučuk-chrání součástky proti mechanickým šokům a cyklickém tepelným stresům

* vysoká tepelná vodivost

* špičkové dielektrické vlastnosti

ad 3)

-teplovodivé folie. Jedná se o folie různé tloušťky a tvaru. Základem těchto materiálů jsou silikonové elastomery případně polyuretany a polyestery. Běžně jsou plněny anorganickými oxidy, při zvýšených nárocích na tepelnou vodivost jsou plněny např. nitridem boru. Vyrábí se i s jednostranou či oboustranou lepicí vrstvou a je tak zajišťována snadná fixace např. na keramické pouzdro mikroprocesoru a následně chladiče. Pro zvýšení dielektrické pevnosti bývají některé typy opatřeny polyimidovou folií. Materiál se dá snadno stříhat do požadovaného tvaru obyčejnými nůžkami.

Při použití jako elektrický izolant v sestavě výkonová součástka-chladič nahrazují v minulosti používané podložky ze slídy. Tyto slídové podložky mají sice vysokou dielektrickou pevnost ale zároveň nízkou tepelnou vodivost . Proto je nutno při jejich aplikaci používat teplovodivou pastu. Navíc je slída křehká.

Folie také umožňují nahradit teplovodivou beryliovou keramiku, která je nebezpečná z hlediska možných zdravotních komplikací.

Při použití teplovodivých folii mají dále důležitou roli tepelná impedance a tepelný odpor. Navzájem se ovlivňují.Na jejich hodnoty mají zejména vliv jejich schopnost přizpůsobit se povrchu použitých materiálů (eloxovaný hliník tělesa chladiče, povrch součástky)

-tepelná impedance [^oC.mm²W^-1] - vyjadřuje schopnost teplovodivé folie vyplnit nerovnosti povrchu a snížit tak přechodové tepelné odpory, její hodnota vzrůstá s tloušťkou folie, klesá s kontaktním tlakem a nezávisí na ploše. Přítlačné tlaky závisí mimo jiné na velikosti pracovní plochy. Čím větší je tato plocha, tím větší musí být kontaktní tlak a silnější teplovodivá folie

- tepelný odpor [^oC.W^-1] - závisí na ploše, jak plocha roste tepelný odpor klesá

 

Orientační hodnoty tepelné vodivosti l

pro některé materiály:

MATERIÁL	l [Wm-1K-1]	MATERIÁL	l [Wm-1K-1]
stříbro	418	CHO-THERM T609	1,5
měď	393	DOW CORNING Sylgard Q3-3600 Thermally Conductive Encapsulant	1,04
zlato	297	CHO-THERM T609	1,5
oxid berylnatý	240	DOW CORNING 3-6385 Thermally Conductive Encapsulant	1
hliník	240	D58102-PUR zalévací hmota	0,6
dural	140 - 190	teplovodivé folie	0,3 - 3,5
nikl	92	sklo	0,7 - 0,8
železo	85	voda	0,6
chrom	66	DOW CORNING 340 Heat sink compound	0,42
olovo-5% cín	63	CHO-THERM T404	0,37
ocel	47	polyimid	0,2
92% oxid hlinitý	18	teflon	0,1 - 0,2
kovar	17	Dow Corning 3-6548 Silicone RTVfire resistens foam	0,075
invar	11	kamenná vlna	0,04
vzduch	0,02	skleněná vata	0,03 - 0,07

Pro měření teploty použijte Indikátory a proužky pro měření teploty