novice

Izboljšanje zanesljivosti elektronskih sklopov

Calling All Cars: Disappearing Scar / Cinder Dick / The Man Who Lost His Face (December 2018).

Anonim

Večfunkcionalne toplotno prevodne spojine lahko pomagajo izboljšati zanesljivost LED.

Za številne elektronske naprave vplivajo na karakteristike delovanja temperature. Preveč toplote lahko povzroči okvaro komponent ali prezgodnjo okvaro komponent. Na primer, glavni vzrok izpada svetlečih diod (LED) je povišana temperatura spoja. Znano je, da je križišče LED, kjer sta združeni dve vrsti polprevodnikov, vroča točka, ker se porabita električna energija tako toplota kot svetloba. Ko temperatura temperature poveča, se svetloba zmanjša, barva pa se spremeni v modro. Izdelki, kot so televizijski zasloni, zaslonski ročni prikazovalniki elektronskih naprav, elektronski znaki in dnevne svetilke za avtomobile, so odvisni od LED-ov, da bi ustvarili zanesljivo svetlobo.
Prekomerna toplotna ogroženost
Za svetleče diode, kot tudi tranzistorje in druge polprevodniške elektronske komponente, neuporaba pod določenimi temperaturnimi omejitvami, kot je najvišja mejna temperatura ali maksimalna temperatura ohišja, lahko povzroči nepopravljivo škodo in trajne spremembe zmogljivosti. Odpadna toplota, ki jo proizvajajo visoki tokovi v energetskih transformatorjih in polprevodnikih za polnjenje z električno energijo, lahko povzroči pregrevanje teh naprav, kar lahko ogrozi delovanje. Toploto je treba odstraniti, da se ohrani delovne temperature znotraj specifikacij in zagotovi zanesljivost komponent.
Specifikacije temperature za sestanke so v zadnjih letih postale velik izziv, saj se več funkcionalnosti stisne v sveže krčljive pakete. Najsodobnejše 22-nm geometrije omogočajo oblikovanje integriranih vezij (IC) z gostoto tranzistorjev, ki presegajo 8 milijonov tranzistorjev na kvadratni milimetr. Višja tranzistorska gostota pomeni manjšo površino za odvajanje toplote - in še bolj vroče točke - na mikroprocesorje in druge visoko zmogljive čipe. Poleg tega so miniaturne komponente pogosto pakirane v IC-čipov, ki varčujejo z vesoljem, kot so paketi čipov in bal-mrežni nizi (BGA), ki omejujejo toploto na drobna ohišja. Težje tehnologije embaliranja, kot je sistem na čipu (SOC), v katerem so komponente zložene ena na drugo, prav tako zaostrijo težavo disipacije toplote.
Upravljanje toplote z načrtovanjem
Učinkovito upravljanje toplote je postala glavna prednostna naloga sodobnega elektronskega oblikovanja in pakiranja. Toploto je treba odstraniti na ravni matrice, sestavnega dela in podlage tako, da uravnavajo delovanje, zanesljivost, stroške in v nekaterih primerih tudi težo. Obstajajo trije načini prenosa toplote: prevod, konvekcija in sevanja. Cilj toplotnega upravljanja je določiti stroškovno učinkovito in učinkovito pot za prenos toplote iz naprave v okolje z eno ali več tehnikami prenosa toplote.
Toplotni ponori se običajno uporabljajo za prenos toplotne energije proč od mikroprocesorjev, močnostnih tranzistorjev, LED nizov in drugih naprav v okoliški zrak (glej sliko 1 ). Ponavadi iz aluminijeve zlitine ali druge kovine, hladilno telo sestoji iz ravne površine s plavutmi ali drugimi izboklinami, namenjenimi povečanju njegove površine. Ploska površina je v stiku z elektronsko napravo, tako da se toplota pretaka iz naprave v hladilnik, se izvede skozi hladilno telo in se prevaža na okoliški zrak. Količina toplote, ki se prenaša s konvekcijo, je sorazmerna s površino na točki prenosa, tako da ekstenzivne površine hladilnega telesa močno povečajo količino toplote, razpršene v zrak.

Slika 1: Prenos toplote segrevamo od električnih naprav v okoliški zrak.

Posebni materiali prenesejo toploto
Posebno oblikovani termični vmesni materiali (TIM) se pogosto uporabljajo med toplotno napravo in hladilno telo, da zapolnijo termično izolacijske zračne reže in povečajo učinkovitost prenosa toplote. Za TIM je značilna njegova toplotna prevodnost (glej stransko vrstico ), ki običajno presega 0, 3 W / mK - več kot 10-krat večja kot pri zraku (0, 022 W / mK). Ker so kovinski toplotni odvodi boljši toplotni prevodniki kot TIM, se optimalna toplotna učinkovitost doseže z zmanjševanjem debeline TIM in odpravljanjem presežnega materiala.
Toplotne masti, materiali za fazno spremembo in toplotno prevodne epoksije so nekatere od številnih vrst termalnih vmesnih materialov, ki so danes na voljo na trgu. Izbira primernega TIM-ja za določeno aplikacijo je odvisna od parametrov uporabe, kot so gostota moči, zahteve za obdelavo, obnovljivost in druge skrbi. Toplotno prevodne epoksi so pogosto prednostne nad drugimi alternativami, saj zagotavljajo pritrditev in druge funkcionalnosti poleg zmogljivosti za prenos toplote. Ti večnamenski sistemi ponujajo velikost in težo prednosti pri rešitvah, ki zahtevajo mehansko pritrditev in stabilnost, pa tudi druge prednosti.
Izvajanje več funkcij
Toplotno prevodne polimerne spojine so sestavljene iz epoksi, silikonskih ali elastomernih formulacij, napolnjenih s termično prevodnimi kovinskimi, keramičnimi ali nanotehničnimi delci. Tipične vrednosti prevodnosti se gibljejo od 1, 5 do 3, 0 W / mK, prevodnost pa dosega do 4, 0 W / mK za nekatere posebej oblikovane razrede. Za dano vrsto polnila lahko formulatorji dosežejo večje vrednosti toplotne prevodnosti s povečanjem koncentracije polnilnih delcev. Obstaja kompromis, vendar z močjo vezi, ker več polnila pomeni manj molekul polimerov, ki so na voljo za kohezijo. Ta kompromis ni problem večine elektronskih aplikacij, saj vezane elektronske komponente običajno niso izpostavljene visokim silam.

Tabela 1: Skupna toplotna prevodnost skupnih materialov

Lepila in z njimi povezane spojine so znane po svoji sposobnosti za uravnoteženje različnih fizikalnih, električnih in mehanskih lastnosti. Formulatorji prilagodijo lastnosti, ki ustrezajo specifičnim aplikacijam z izbiro smole in trdilca, vrsto polnila in koncentracijo ter drugimi dodatki ter s kontrolo stopnje in metode strjevanja. Toplotno prevodni epoksi sistemi nudijo kemično in vlagarno odpornost ter vključujejo kakovostne kroge in razrede, ki preprečujejo temperaturo nad 500 ° F. Razredi, ki so namenjeni zaščiti elektronike pred udarci in vibracijami, so poleg upravljanja toplote na voljo tudi, kot so formulacije, ki lahko prenesejo toplotno kolesarjenje in razrede, ki ustrezajo standardom NASA z nizkimi izpusti. Enokomponentne in dvokomponentne spojine z različnimi viskoznostmi, moduli in časovnimi postopki ter epoksi filmi nudijo inženirjem različne možnosti uporabe.

Slika 2: Visoka toplotna prevodnost, minimalna debelina vezne linije, popolna polimerizacija in odstranitev praznin pomagajo zmanjšati toplotni upor vzdolž termalne poti.

Pogoji ozdravljenja lahko vplivajo na toplotno prevodnost lepilne spojine. Premajhna temperatura sušenja lahko povzroči počasno strjevanje in manjšo gostoto premreževanja, medtem ko previsoka temperatura lahko povzroči visoke eksoterme, ki lahko povzročijo razširitev lepilnega sistema. Optimalna prevodnost se doseže, ko popolna polimerizacija poteka s časovnim razporedom, ki ga priporoča dobro poznani formulator. S popolnim utrjevanjem termično prevodni delci polnila pridejo v stik med seboj, kar olajša učinkovitejšo toplotno prevodnost.

Previdna uporaba termičnega izdelka je bistvenega pomena za učinkovit prenos toplote. Kot je prikazano na sliki 2, so za oblikovanje termalne poti z najnižjim možnim toplotnim uporom (glej stransko vrstico) pomembne enotne, tanke vezi in odpravo zračnih odprtin, ki omogočajo učinkovito pretok toplote iz vroče naprave na hladnejši medij .

Toplotno prevodne epoksije se pogosto uporabljajo za dvojni namen vezave in prenos toplote v aplikacijah, kot so pritrditev polprevodnikov na visoki moči, pritrditev toplotnega odvoda in komponente, občutljive na temperaturo, na tiskane vezje (PCB). Uporabljajo se tudi kot termični vezni vmesnik med matrico in toplotnim trosilnikom v paketih BGA. Čeprav so najbolj toplotno prevodne epoksije električno izolativne, nekateri razredi združujejo toplotno in električno prevodnost z uporabo kovinskih polnil in jih lahko uporabimo kot električno podlago na PCB. Sorodne toplotno prevodne lončene spojine se uporabljajo za prenos toplote od transformatorjev, tuljav in napajalnikov, hkrati pa jih ščitijo pred udarci, vibracijami in drugimi okoljskimi pogoji. Toplotno prevodne epoksi lahko delujejo tudi kot tesnila za zaščito senzorjev, konektorjev in zatičev pri upravljanju toplote.

Podaljšanje življenjske dobe komponent
Današnje visokonapetostne elektronske naprave stiskajo več funkcionalnosti v strožje pakete. Povpraševanje na trgu za izboljšanje zmogljivosti in napredne funkcije pomeni večje potrebe po energiji, ki spodbujajo večje toplotne učinke. Učinkovito odstranjevanje toplote je potrebno, da preprečimo prezgodnjo odpoved komponente in podaljšamo življenjsko dobo izdelka.

Toplotno prevodne spojine pomagajo optimizirati prenos toplote preko vmesnikov v različnih aplikacijah v več panogah. Z zagotavljanjem pritrditve, zaščite okolja in drugih funkcij poleg toplotnega prenosa, ta lepila, tesnilne mase in mazalne snovi omogočajo manjše, vedno močnejše elektronske sisteme.


Stranska vrstica:

Toplotna prevodnost in toplotna odpornost
Toplotna prevodnost kvantificira sposobnost materiala za prenos toplote preko prevodnosti. Pogosto označen kot κ, je toplotna prevodnost opredeljena kot količina toplotne energije, prenesene prek znane površine vzorca v danem času, ko se uporabi temperaturni gradient v vzorcu. Skupne enote toplotne prevodnosti so:

Inverzna ali recipročna toplotna prevodnost je termična upornost. Toplotna upornost (1 / κ) označuje sposobnost materiala, da nasprotuje pretoku toplote. Termična prevodnost in toplotna odpornost sta funkcija temperature, obe pa sta temeljna lastnost materiala; to je, da so neodvisne od določene naprave ali njegove geometrije. V aplikacijah v realnem svetu je toplotna prevodnost pomembna, vendar ni zadostna pri ocenjevanju toplotne učinkovitosti, ker je tudi geometrija določene naprave pomembna. Učinkovitost prenosa toplote je najbolje določena z upoštevanjem termične upornosti določenega predmeta.
Termična upornost (R) meri odpornost objekta na toplotni tok in jo določi tako toplotna upornost kot njegova geometrija. Toplotna upornost objekta je razmerje med razliko temperature in razpršeno močjo in se lahko izrazi kot funkcija geometrije objekta in toplotne odpornosti:

kjer je L debelina predmeta, je A njegova površina in κ je njegova toplotna prevodnost. To razmerje ponazarja, da zaradi povečanja površin se toplotna upornost zmanjša (kar je ključno načelo toplotnih ponorov), in ker se povečuje debelina, se toplotni upor povečuje. Za toplotno prevodna lepila, ki se uporabljajo za vezavo hladilnih odej do elektronskih komponent, se doseže optimalen prenos toplote z zmanjšanjem debeline vezne linije. V nekaterih primerih velikost delcev polnila v toplotno prevodnem epoksidu narekuje debelino minimalne linije vezi, ki je dosegljiva, ne da bi pri tem žrtvovali trdnost vezi. Tipična velikost delcev je 40 μm, vendar je Master Bond razvil lastna polnila, ki merijo le 3 μm čez - izboljšujejo zmogljivosti prenosa toplote, ne da bi pri tem ogrozili trdnost vezi.
Za najučinkovitejši prenos toplote je treba na primer zmanjšati celotno toplotno odpornost poti od naprave za proizvodnjo toplote do hladilnega medija - zraka, ki obdaja hladilno telo. To dosežemo tako, da izberemo toplotno prevodno spojino z visoko toplotno prevodnostjo, utrjujemo do zaključka, zagotovimo ustrezno mokrenje in enakomernost vezi, zmanjšamo debelino vezne linije in odpravimo zračne reže v vezni liniji.

ROBERT MICHAELS, podpredsednik tehnične prodaje, Master Bond, www.masterbond.com