Elektronisko mezglu uzticamības paaugstināšana

labākais zvejas mezgls-Latvian (Aprīlis 2019).

Anonim

Daudzfunkcionāli siltumvadoši savienojumi var palīdzēt uzlabot LED uzticamību.

Daudzām elektroniskām ierīcēm darbības rādītāji ietekmē temperatūru. Pārāk daudz siltuma var izraisīt komponenta darbības traucējumus vai priekšlaicīgu komponentu mazspēju. Piemēram, galvenais gaismas diodes (LED) atteices iemesls ir paaugstināta savienojuma temperatūra. Gaismas diožu savienojums, kurā ir savienoti divu veidu pusvadītāji, ir pazīstams kā karstās vietas, jo gan siltumu, gan gaismu izstaro, patērējot elektrisko enerģiju. Palielinoties krustojuma temperatūrai, gaismas izlaide samazinās un krāsa pāriet zilā krāsā. Produkti, piemēram, televīzijas displeji, rokas elektroniskās ierīces displeji, elektroniskās zīmes un dienasgaismas automobiļu priekšējie lukturi, ir atkarīgi no LED, lai iegūtu drošu gaismu.
Pārmērīgi siltuma draudi
Gaismas diodēm, kā arī tranzistoriem un citiem pusvadītāju elek- troniskiem komponentiem, nepietiekams temperatūras ierobežojums, piemēram, maksimālā krustojuma temperatūra vai maksimālā temperatūras temperatūra, var radīt neatgriezeniskus bojājumus un pastāvīgas darbības izmaiņas. Atkritumu siltums, ko rada liela strāva strāvas transformatoros un strāvas padeves pusvadītājos, var izraisīt šo ierīču pārkaršanu, kas var negatīvi ietekmēt veiktspēju. Siltums ir jānoņem, lai saglabātu darba temperatūru specifikācijās un nodrošinātu detaļu uzticamību.
Sanāksmju temperatūras specifikācijas pēdējos gados ir kļuvušas par galveno izaicinājumu, jo vairāk funkcionalitātes tiek izspiestas arvien mazākos iepakojumos. Modernās 22 nm procesa ģeometrijas ļauj izveidot integrētas shēmas (IC) ar tranzistora blīvumu, kas pārsniedz 8 miljonus tranzistoru uz kvadrātkilometru. Augstāks tranzistoru blīvums nozīmē mazāku virsmas laukumu siltuma izdalīšanai - un pat karstākas karstajās vietās - uz mikroprocesoriem un citām augstas veiktspējas mikroshēmām. Turklāt miniaturizētās sastāvdaļas bieži tiek iepakotas kosmosa taupošās IC mikroshēmās, piemēram, mikroshēmas iepakojumos un lodveida režģa blokos (BGA), ierobežojot siltumu mazos korpusos. Stingrākas iepakošanas tehnoloģijas, piemēram, sistēma uz mikroshēmas (SOC), kurā komponenti ir sakrauti viena virs otra, arī saasina siltuma izkliedes problēmu.
Siltuma pārvaldīšana pēc konstrukcijas
Efektīva termo vadība ir kļuvusi par mūsdienu elektroniskā dizaina un iepakojuma galveno prioritāti. Siltums ir jānoņem uz masas, detaļas un pamatnes līmenī, lai līdzsvarotu veiktspēju, uzticamību, izmaksas un, dažos gadījumos, svaru. Ir trīs siltuma pārneses veidi: vadītspēja, konvekcija un starojums. Termiskās vadības mērķis ir noteikt izmaksu ziņā efektīvu ceļu siltuma pārnešanai no ierīces uz vidi, izmantojot vienu vai vairākus siltuma pārneses paņēmienus.
Siltuma izlietnes parasti tiek izmantotas, lai siltumenerģiju no mikroprocesoriem, strāvas tranzistoriem, LED blokiem un citām ierīcēm pārnestu apkārtējā gaisā (sk . 1. att. ). Parasti izgatavots no alumīnija sakausējuma vai cita metāla, siltuma izlietne sastāv no plakanas virsmas ar plauktiem vai citiem izvirzījumiem, kas paredzēti tā virsmas palielināšanai. Plakana virsma tiek novietota saskarē ar elektronisko ierīci tā, ka siltums plūst no ierīces uz siltuma izlietni, tiek veikta caur siltuma izlietni un tiek konvekta uz apkārtējo gaisu. Siltuma daudzums, kas tiek nodots caur konvekciju, ir proporcionāls virsmai pārejas punktā, tāpēc siltuma izlietnes plašas virsmas ievērojami palielina siltuma daudzumu, kas izdalās gaisā.

1. attēls: siltuma izlietnes nodod siltumu no barošanas ierīcēm apkārtējā gaisā.

Īpaši materiāli nodod siltumu
Īpaši veidoti termiskās saskarnes materiāli (TIM) bieži tiek lietoti starp siltuma radītāju un siltuma izlietni, lai aizpildītu siltumizolācijas gaisa spraugas un maksimāli palielinātu siltuma pārneses efektivitāti. TIM raksturo tā siltumvadītspēja (sk. Sānu joslu ), kas parasti pārsniedz 0, 3 W / mK - vairāk nekā 10 reizes lielāka nekā gaisā (0, 022 W / mK). Tā kā metāla siltuma izlietnes ir labākas siltuma vadītāju nekā TIM, optimāla siltuma efektivitāte tiek panākta, samazinot TIM biezumu un novēršot lieko materiālu.
Termiskās smērvielas, fāzu maiņas materiāli un termoelektriskās epoxies ir daži no daudzajiem termiskās saskarnes materiālu veidiem, kas pieejami tirgū šodien. Piemērota TIM izvēle konkrētam lietojumam ir atkarīga no tādiem pielietojuma parametriem kā jaudas blīvums, apstrādes prasības, pārstrādājamība un citas problēmas. Termiski vadošas epoxijas bieži vien dod priekšroku salīdzinājumā ar citām alternatīvām, jo ​​papildus siltuma pārneses iespējām tās nodrošina piestiprinājumu un citu funkcionalitāti. Šīs daudzfunkcionālās sistēmas piedāvā izmēru un svara priekšrocības salīdzinājumā ar risinājumiem, kas prasa mehānisko stiprinājumu un stabilitāti, kā arī citus ieguvumus.
Vairāku funkciju veikšana
Termiski vadoši polimēru savienojumi sastāv no epoksīda, silikona vai elastomēru preparātiem, kas piepildīti ar termoelektrisko metālu, keramikas vai nanotehnoloģijas daļiņām. Tipiskās vadītspējas vērtības svārstās no 1, 5 līdz 3, 0 W / mK, un vadītspēja dažām speciāli izveidotajām pakāpēm sasniedz 4, 0 W / mK. Paredzētajam pildvielu veidam formulatori var sasniegt augstākas siltuma vadītspējas vērtības, palielinot pildvielu daļiņu koncentrāciju. Tomēr ir kompromiss, kam ir stiprības sajūta, jo vairāk pildvielas nozīmē mazākam polimēru molekulām, kas ir pieejamas kohēzijai. Lielākajai daļai elektronikas pieteikumu šis kompromiss nav problēma, jo saistošās elektroniskās sastāvdaļas parasti netiek pakļautas lieliem spēkiem.

1. tabula. Kopējo materiālu siltumvadītspēja

Līme un saistītie savienojumi ir zināmi, jo tie spēj līdzsvarot dažādas fiziskās, elektriskās un mehāniskās īpašības. Formulatori pielāgo īpašības, kas piemērotas īpašām vajadzībām, izvēloties sveķus un cietinātājus, pildvielas tipu un koncentrāciju, kā arī citas piedevas un kontrolējot konservēšanas pakāpi un metodi. Termiski vadošās epoksīda sistēmas nodrošina ķīmisko un mitruma pretestību, un tās ietver pakāpes, kas ir kriogēnas ekspluatācijas iespējas, kā arī pakāpes, kas pretošas ​​temperatūrai, kas pārsniedz 500 ° F. Ir pieejami arī līmeņi, kas paredzēti, lai aizsargātu elektroniku no šoka un vibrācijas papildus siltuma vadībai, kā arī formulējumi, kas spēj izturēt termiskās cikliskās darbības un pakāpes, kas atbilst NASA standartiem, kuriem ir zems izplūdes gāzu līmenis. Viena un divu daļu savienojumi ar dažādām viskozitātes, moduļu un izārstēšanas grafikām, kā arī epoksīda plēvēm piedāvā inženieriem dažādas pielietošanas iespējas.

2. attēls. Augsta siltumvadītspēja, minimāla saišu līnijas biezums, pilnīga polimerizācija un tukšumu novēršana palīdz samazināt siltuma pretestību gar siltuma ceļu.

Cure nosacījumi var ietekmēt saķeres savienojuma siltumvadītspēju. Pārāk zema izārstēšanas temperatūra var izraisīt lēnu izārstēšanu un zemāku šķiedru blīvumu, savukārt pārāk augsta izārstēšanas temperatūra var radīt augstu eksotermu, kas var izraisīt līmēšanas sistēmas paplašināšanos. Optimāla vadītspēja tiek panākta, ja pilnīga polimerizācija notiek, izmantojot izārstēšanas grafiku, ko iesaka zinošs formulētājs. Ar pilnīgu izārstēšanu termoizvadošās pildvielas daļiņas nonāk saskarē viena ar otru, tādējādi veicinot efektīvāku siltuma vadīšanu.

Lai nodrošinātu efektīvu siltuma pārnesi, ļoti svarīgi ir rūpīgi izmantot siltuma produktu. Kā parādīts 2. attēlā, vienveidīgas, plānas saišu līnijas un gaisa spraugas novēršana ir svarīgas, lai izveidotu siltuma ceļu ar zemāko iespējamo siltumizturību (sk. Sānu joslu), kas ļauj siltumu efektīvi plūst no karstas ierīces uz vēsāku barotni .

Termiski vadošas epoksīds parasti tiek izmantota dubultai siltuma piesaistīšanai un pārnešanai tādās lietojumprogrammās kā, piemēram, augstas jaudas pusvadītāju preses piestiprināšana, siltuma izlietņu piestiprināšana un iespiedshēmu plates (PCB) pārkaršana no temperatūras. Tie tiek izmantoti arī kā siltuma savienošanas saskarne starp blīvējumu un siltuma izkliedētāju BGA iepakojumos. Kaut arī lielākā daļa termoizturīgo epoksīdu ir elektriska izolācija, dažas pazīmes apvieno termālo un elektrisko vadītspēju, izmantojot metāla pildvielas, un to var izmantot kā elektrisko pamatni uz PCB. Saistītie termoizvadošie podošanas savienojumi tiek izmantoti, lai siltumu pārnestu no transformatoriem, spoles un barošanas avotiem, vienlaikus pasargājot tos no šoka, vibrācijas un citiem vides apstākļiem. Termiski vadošas epoxies var darboties arī kā hermētiķi, lai aizsargātu sensorus, savienotājus un tapas, vadot siltumu.

Komponentu dzīves cikla pagarināšana
Šodienas augstas veiktspējas elektroniskās ierīces saspiež vairāk funkcionalitātes uz stingrākiem iepakojumiem. Tirgus pieprasījums pēc veiktspējas uzlabojumiem un uzlabotām funkcijām palielina jaudas prasības, palielinot siltuma jaudu. Efektīva siltuma noņemšana ir obligāta, lai novērstu priekšlaicīgu komponentu atteici un pagarinātu produktu derīguma termiņu.

Termiski vadošie savienojumi palīdz optimizēt siltuma pārnesi starp dažādām nozarēm dažādās saskarnēs. Šīm līmēm, hermētiķiem un podos savienojumiem, nodrošinot piestiprinājumu, vides aizsardzību un citas funkcijas papildus siltuma padevei, ir iespējamas mazākas, arvien spēcīgākas elektroniskās sistēmas.


Sānjosla:

Siltumvadītspēja un siltumizturība
Siltumvadītspēja kvantificē materiāla spēju nodot siltumu caur vadību. Bieži vien tiek apzīmēts kā κ, siltumvadītspēja tiek definēta kā siltumenerģijas daudzums, kas tiek pārsūtīts zināmā parauga apgabalā noteiktā laika periodā, kad paraugs tiek novietots temperatūras gradientā. Kopējās siltumvadītspējas vienības ir:

Apgrieztais vai abpusējais siltumvadītspēja ir siltuma pretestība. Termiskā pretestība (1 / κ) raksturo materiāla spēju pretoties siltuma plūsmai. Gan siltumvadītspēja, gan siltuma pretestība ir temperatūras funkcijas, un abi ir materiālu pamatīpašības; tas ir, tie nav atkarīgi no konkrētās ierīces vai tās ģeometrijas. Reālās pasaules pielietojumos siltuma vadītspēja ir svarīga, bet nepietiekama, lai novērtētu siltuma veiktspēju, jo arī īpašas ierīces ģeometrija ir svarīgs apsvērums. Siltuma padeves efektivitāti vislabāk nosaka, ņemot vērā konkrētā objekta siltuma pretestību.
Termiskā pretestība (R) nosaka objekta izturību pret siltuma plūsmu, un to nosaka gan siltuma pretestība, gan tās ģeometrija. Objekta siltuma pretestība ir temperatūras starpības attiecība pret izkliedēto jaudu, un to var izteikt kā objekta ģeometrijas un siltuma pretestības funkciju:

kur L ir objekta biezums, A ir tā virsma, un κ ir tā siltuma vadītspēja. Šī sakarība parāda, ka, palielinoties virsmas laukumam, samazinās siltuma pretestība (kas ir galvenais siltuma izlietņu princips), un, palielinoties biezumam, palielinās siltuma pretestība. Termoizturīgajām līmvielām, ko izmanto, lai sazarotu siltuma izlietnes ar elektroniskām sastāvdaļām, optimāla siltuma pārnešana tiek sasniegta, samazinot savienojuma līnijas biezumu. Dažos gadījumos pildvielu daļiņu izmērs termoizvadāmajā epoksīdā nosaka minimālo saišu līnijas biezumu, kas ir sasniedzams, nezaudējot saistīšanās stiprību. Tipiskais daļiņu izmērs ir 40 μm, bet Master Bond ir izstrādājis patentētus pildvielas, kas mēra tikai 3 μm pāri - uzlabojot siltuma pārneses spējas, nesamazinot saites stiprību.
Visefektīvākajai siltuma padevei vajadzētu samazināt kopējo siltuma pretestību no siltuma ģenerēšanas ierīces līdz dzesēšanas vidē - piemēram, siltuma izlietne, piemēram, gaiss. Tas tiek panākts, izvēloties termiski vadošu savienojumu ar augstu siltumvadītspēju, pabeigt konservēšanu, nodrošinot adekvātu mitrināšanas un saišu līnijas viendabīgumu, minimizējot savienojuma līnijas biezumu un novēršot gaisa spraugas savienojuma līnijā.

ROBERT MICHAELS, tehnisko pārdošanas viceprezidents, Master Bond, www.masterbond.com