Material de gestión térmica de componentes electrónicos - Aplicación de juntas cerámicas térmicas de silicona térmica

La Junta cerámica térmica es un material de alta conductividad térmica compuesto principalmente de alúmina (con un contenido de alúmina de más del 96%), con una apariencia blanca pura y una textura dura, y se utiliza principalmente para la transferencia de calor y el aislamiento eléctrico entre dispositivos de potencia y radiadores. Se combina con dispositivos de Potencia (como tubos mos de potencia, triples de potencia, etc.), radiadores de aluminio, Después de una estrecha combinación de placas de pcb, el rendimiento de sellado es excelente, puede lograr los efectos ideales de polvo, impermeabilidad, conducción térmica y aislamiento, y puede adaptarse al duro entorno de trabajo de alta temperatura, alta presión y mucho polvo, mejorando la seguridad y estabilidad del funcionamiento del equipo. En el artículo se analizan los puntos de rendimiento de la Junta cerámica y se discuten sus regulaciones de seguridad, procesos, estructuras y otros diseños en la aplicación de productos de energía, y finalmente se da su aplicación en cargas electrónicas (cargas especiales para el envejecimiento a alta temperatura de la fuente de alimentación modular).

Características de rendimiento de las juntas cerámicas

Las juntas cerámicas tienen las siguientes características:

• La conductividad térmica de las juntas cerámicas (20 ° c) es tan alta como 20 W / (m - k) a 30 W / (m - k), que es mucho más alta que la de las juntas térmicas ordinarias, por lo que se ha utilizado ampliamente en condiciones muy exigentes para la disipación de calor de los dispositivos de potencia. En la actualidad, la conductividad térmica de las juntas térmicas es en su mayoría inferior a 2,0 W / (m - k), y la serie bergs Sil - pad2000 con alta conductividad térmica solo tiene 3,5w / (m - k);

• Resistencia a altas temperaturas y alta presión. La resistencia a la rotura de las juntas cerámicas es de 10 kV a 12 kv, y la temperatura máxima permitida es de 1600 ° c, que puede adaptarse al duro entorno de trabajo de alta temperatura, alta presión, alto desgaste y fuerte corrosión, y cumplir con los requisitos de aplicación de los productos de energía en diversas ocasiones;

• La vida útil es más larga. Puede reducir el número de reparaciones del equipo y mejorar la seguridad y estabilidad del funcionamiento del equipo;

• Cumplir con las normas ambientales RoHS de la ue.

Ruta de disipación de calor de la Junta cerámica

Las juntas térmicas ordinarias están compuestas por materiales de medios blandos que pueden llenar pequeñas brechas entre el dispositivo de potencia y la superficie del disipador de calor y reducir su resistencia térmica de contacto. Por su parte, las juntas cerámicas están compuestas por alúmina de textura dura, con cierta rugosidad en la superficie, y si se ensamblan directamente, habrá muchas brechas entre el dispositivo de potencia y las juntas cerámicas, y entre el disipador de calor y las juntas cerámicas, lo que afectará seriamente la eficiencia de disipación de calor, lo que reducirá en gran medida el rendimiento del disipador de calor e incluso no funcionará. Por lo tanto, cuando se utilizan juntas cerámicas como materiales conductores de calor, también es necesario aplicar grasa de silicona térmica en sus dos superficies para llenar las pequeñas brechas entre las juntas cerámicas y los radiadores, las juntas cerámicas y los dispositivos de potencia, reduciendo la resistencia térmica de contacto entre ellas.

Después de la instalación de juntas cerámicas, la resistencia térmica del dispositivo de potencia a la temperatura ambiente se compone principalmente de resistencia térmica de silicona térmica, resistencia térmica de juntas cerámicas, resistencia térmica de silicona térmica térmica y resistencia térmica del disipador de calor. Su ruta de disipación de calor se divide en dos partes:

① dispositivo de Potencia (fuente de calor) → grasa de silicona térmica → Junta cerámica → grasa de silicona térmica → disipador de calor (la transmisión de calor se basa principalmente en la conducción);

2) disipador de calor → aire ambiente (la transmisión de calor es principalmente por convección).

La figura 1 muestra el modelo de resistencia térmica y la ruta de disipación de calor del dispositivo de potencia. Los principales factores que afectan la resistencia térmica de los dispositivos de potencia son la planitud de la superficie de las juntas cerámicas, el grosor de las juntas cerámicas y la grasa de silicona térmica, el grosor y la forma de los radiadores, la presión de los sujetadores, etc., que a su vez están relacionados con las condiciones reales de aplicación, por lo que La resistencia térmica entre los dispositivos de potencia y los radiadores también dependerá de las condiciones reales de montaje.

Proceso de instalación y normas de seguridad, diseño de disipación de calor

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Precauciones para la selección de radiadores

Las juntas cerámicas tienen los siguientes defectos en comparación con las juntas térmicas (puntos a los que hay que prestar atención al seleccionar el disipador de calor): el material de las juntas cerámicas es duro, pero es más frágil, tiene poca resistencia a la flexión y la deformación, y es fácil romperse al instalarse cuando la planitud de la superficie del disipador de calor Es muy pobre. Por lo tanto, al usar juntas cerámicas como elementos conductores de calor, el fabricante debe controlar la planitud de la superficie del disipador de calor para que el indicador se controle dentro del rango permitido.

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Modo de montaje del proceso (análisis tomando como ejemplo el tubo mos de potencia)

Durante el proceso de instalación, las juntas cerámicas y los tubos mos de potencia y los radiadores implican problemas de proceso y seguridad, que se introducirán uno por uno a continuación.

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Método de fijación del tornillo

Después de instalar el tubo mos de potencia, debido a la distancia de arrastre limitada entre el tornillo y la parte metálica del tubo mos de potencia, el método de fijación del tornillo solo se puede utilizar en ocasiones de aislamiento funcional (el disipador de calor no conecta la tierra de la carcasa), no se puede utilizar en ocasiones de aislamiento reforzado (la carcasa Es un disipador de calor, la distancia de las normas de Seguridad es mayor), de lo contrario las normas de Seguridad no pueden cumplir con los requisitos de diseño.

(1) fijar el tubo mos de potencia encapsulado to - 247 con tornillos

El tubo mos de potencia encapsulado por to - 247 solo tiene metal en la parte posterior de la disipación de calor, y el resto son de plástico, por lo que al fijar el tubo mos de potencia, no se debe hacer un tratamiento especial, sujetar la Junta cerámica (ambas caras deben estar recubiertas de silicona térmica) entre el tubo mos de potencia y el disipador de calor, y fijarlo directamente con tornillos para cumplir con los requisitos de aislamiento funcional, como se muestra en la figura 2 (a) y (b), la distancia de arrastre entre la parte metálica del tubo mos de potencia y el tornillo es de 1,3 mm a 1,5 mm (determinada por la forma del tubo mos de potencia del fabricante).

(a) figura de la parte posterior del tubo mos de potencia encapsulado to - 247

(b) tornillo para fijar el tubo mos de potencia encapsulado to - 247

(2) fijar el tubo mos de potencia encapsulado to - 220 con tornillos

Al fijar el tubo mos de potencia encapsulado to - 220, es necesario agregar una almohadilla de plástico al tornillo (como se muestra en la figura 3) para evitar que la parte metálica del tubo mos de potencia entre en contacto con el disipador de calor a través del tornillo, causando un cortocircuito. Después de aumentar la almohadilla de plástico, la distancia de arrastre entre la parte metálica del tubo mos de potencia y el tornillo es ≥ 1 mm. Las juntas cerámicas también necesitan recubrir grasa de silicona térmica en ambos lados para reducir su resistencia térmica de contacto.

Método de fijación de la barra de presión

Cuando se utiliza un tubo mos de potencia fija de barra de presión, se utiliza principalmente en ocasiones con altos requisitos de Seguridad. Tiene dos formas de fijación: presión horizontal y presión vertical. La figura 4 (a) muestra un diagrama esquemático de un tubo mos de potencia fija (encapsulado to - 220 o to - 247) mediante presión vertical, y la figura 4 (b) muestra un diagrama esquemático de un tubo mos de potencia fija (encapsulado to - 220 o to - 247) mediante presión horizontal.

(a) esquema del tubo mos de potencia fija mediante presión vertical

B) esquema del tubo mos de potencia fija mediante presión transversal

El diseño del proceso debe prestar atención a los siguientes 3 puntos:

① al fijar el tubo mos de potencia con tiras de presión, se debe elegir una Junta cerámica sin agujeros de tornillo, de lo contrario se reducirá en gran medida la distancia de arrastre del tubo mos de potencia al disipador de calor;

② el tamaño de la Junta cerámica debe cumplir con los requisitos de distancia de arrastre del tubo mos de potencia al disipador de calor;

③ debido a que la barra de presión está conectada directamente al disipador de calor a través de tornillos, la barra de presión debe estar equipada con una manga aislada para aumentar la distancia de arrastre del tubo mos de potencia al disipador de calor.

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Precauciones para el diseño térmico y el diseño estructural

Los tipos comunes de juntas cerámicas son individuales, dobles, etc. La Junta cerámica doble se utiliza principalmente para la instalación paralela de dos tubos mos de potencia. La figura 5 muestra los parámetros y el tamaño de las juntas cerámicas dobles en el diseño de PCB y estructura (tomando como ejemplo el tubo mos de potencia encapsulado to - 247).

(1) la distancia entre los dos agujeros abiertos de la Junta cerámica doble es fija, por lo que la distancia central entre los dos tubos mos debe mantenerse en 19 mm en el diseño de pcb; En el diseño estructural, la distancia entre los agujeros abiertos de los dos tubos mos en el disipador de calor es de 19 mm.

(2) si los dos tubos mos de potencia consumen mucha energía y el disipador de calor está instalado en la parte inferior del pcb, el borde del tubo mos no debe estar demasiado cerca del borde del disipador de calor, específicamente, el tamaño debe determinarse de acuerdo con los resultados del análisis de simulación térmica, de lo contrario el efecto de disipación de calor Se reducirá considerablemente.

Aplicación de juntas cerámicas en carga electrónica

Hay 16 rutas de carga electrónica (carga especial para el envejecimiento a alta temperatura de la fuente de alimentación del módulo), cada ruta tiene una corriente de trabajo de 10a (cada ruta utiliza un tubo mos de potencia como carga electrónica), y el consumo de energía de cada tubo mos de potencia es tan alto como 32w. se deben tomar medidas efectivas de disipación de calor para garantizar que el tubo mos de potencia funcione de manera segura y confiable. Debido a que el consumo de energía de todo el sistema es muy grande, se utilizan cuatro grandes radiadores de aluminio de 150 mmx120 mm (el fabricante no puede procesar un disipador de calor de aluminio largo, por lo que se reemplaza por cuatro radiadores de aluminio), que se encuentran en la parte inferior del pcb. El tubo mos de potencia se selecciona irfp150p (encapsulado to - 247) y se instala boca abajo en el disipador de calor de la carcasa inferior. su material conductor térmico selecciona juntas cerámicas de alta conductividad térmica (las juntas térmicas ordinarias no pueden cumplir con los requisitos de diseño). Debido a que el producto no necesita un tratamiento de aislamiento reforzado (la diferencia de tensión entre el circuito interno y la carcasa es de 10v a 65v), se adopta el método de tornillo para fijar el tubo mos de potencia para satisfacer el aislamiento funcional.

La Tabla 1 muestra la temperatura de funcionamiento de la carga electrónica a 25 ° C a temperatura ambiente y refrigeración por aire. A partir de los datos de la tabla 1, se obtiene que la temperatura de funcionamiento del tubo mos de potencia está entre 45,3 ° C y 66,3 ° c. La carga electrónica requiere trabajar a una temperatura alta de 65 ° c, más un aumento de temperatura de 40 ° c, se puede obtener que la temperatura de trabajo de los tubos mos de potencia está entre 85,3 ° C y 100,3 ° c, y el aumento de temperatura de todos los tubos mos de Potencia (su temperatura máxima de trabajo es de 160 ° c) está dentro del rango permitido. Muestra que la conductividad térmica de las juntas cerámicas es muy excelente y puede cumplir con los requisitos de disipación de calor de los productos de fuente de alimentación de alta potencia.