Az elektronikus szerelvények megbízhatóságának növelése

Will New Technology Replace Jobs and Result in Greater Economic Freedom? (Július 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

A többfunkciós hővezető vegyületek segíthetnek a LED megbízhatóságának növelésében.

Számos elektronikus készülék esetében a teljesítmény jellemzőit a hőmérséklet befolyásolja. Túl sok hõ vezethet alkatrészhibához vagy korai komponens meghibásodáshoz. Például a fénykibocsátó diódák (LED) egyik legfőbb oka az emelkedett csatlakozási hőmérséklet. A LED egy csomópontja, ahol kétféle félvezető csatlakozik, forró pontként ismeretes, mivel mind a hő, mind pedig a fény elektromos energiát fogyasztanak. A csatlakozási hőmérséklet növekedésével a fénykibocsátás csökken, és a szín a kék felé mozog. Az olyan termékek, mint a tévékészülékek, a kézi elektronikai eszközök, az elektronikus jelzések és a napfényes fényszórók, függenek a LED-ektől, hogy megbízható fényt teremtsenek.
Túlzott hőveszély
A LED-ek, valamint a tranzisztorok és más félvezető elektronikai alkatrészek esetében a meghatározott hőmérséklethatárok alatti tartózkodás, például a maximális csatlakozási hőmérséklet vagy a maximális hőmérsékleti hőmérséklet visszafordíthatatlan károsodást és állandó teljesítményváltozást eredményezhet. Az erősáramú transzformátorok és a félvezetők által előidézett nagy áramerősség okozta hulla- dék ezeknek az eszközöknek a túlmelegedését okozhatja, ami potenciálisan veszélyezteti a teljesítményt. A hőmennyiséget el kell távolítani annak érdekében, hogy a működési hőmérsékletek a specifikációkon belül maradjanak és biztosítsák az alkatrészek megbízhatóságát
A találkozási hőmérsékleti előírások az elmúlt években nagy kihívást jelentettek, mivel egyre több funkcionalitást szorítanak az egyre zsugorodó csomagokba. A legmodernebb 22 nm-es geometriai folyamatok lehetővé teszik, hogy a négyzetmilliméteres, 8 millió tranzisztort meghaladó tranzisztor sűrűségű integrált áramköröket (IC-k) hozzanak létre. A nagyobb tranzisztor sűrűsége kisebb felületet jelent a hőelvezetés - és még forróbb forró pontok esetén - mikroprocesszorokon és más nagy teljesítményű chipeken. Ezenkívül a miniatürizált komponenseket gyakran helytakarékos IC-chip-hordozók csomagolják, mint pl. Chip-méretű csomagok és gömbhengeres tömbök (BGA-k), amelyek a hőmennyiséget apró házakra korlátozzák. A szigorúbb csomagolástechnológiák, például a chipen (SOC) működő rendszer, amelyben az összetevők egymásra helyezkednek, szintén súlyosbítják a hőleadás problémáját.
Hőkezelés terv szerint
A hatékony termikus menedzsment a modern elektronikai tervezés és csomagolás területén kiemelt prioritássá vált. A hőt a szerszám, a komponens és a hordozó szintjén úgy kell eltávolítani, hogy a teljesítményt, a megbízhatóságot, a költségeket és bizonyos esetekben a súlyt kiegyensúlyozzák. A hőátadás három módja van: vezetés, konvekció és sugárzás. A hőkezelés célja egy költséghatékony és hatékony út meghatározása a hőátadásnak az eszközről a környezetbe, egy vagy több hőátadási technikával.
A hűtőbordákat általában a mikroprocesszoroktól, a teljesítménytranzisztoroktól, a LED-tömbökről és más eszközökről a környező levegőbe szállítják (lásd 1. ábra ). Általában alumínium ötvözetből vagy más fémekből készülnek, a hűtőborda sík felületű, bordákkal vagy más, a felületének növelésére tervezett kiemelkedésekkel. A sík felületet érintkezésbe hozzuk az elektronikus eszközzel úgy, hogy a hő a készülékből a hűtőbordába áramlik, a hűtőbordán át vezet, és a környező levegőbe kerül. A konvekcióval átvitt hő mennyisége arányos az átvivő ponton lévő felületével, így a hűtőborda kiterjedt felületei nagymértékben növelik a levegőbe jutott hő mennyiségét.

1. ábra: A hűtőbordák hőátadást eredményeznek a hatalomból a környező levegőbe.

Speciális anyagok átadják a hőt
A hőtermelő készülék és a hűtőborda között speciálisan kialakított hőkezelő anyagokat (TIM-eket) alkalmaznak hőszigetelő légrések kitöltése és a hőátadás hatékonyságának növelése érdekében. A TIM-t a termikus vezetőképessége (lásd az oldalsávot ) jellemzi, ami jellemzően meghaladja a 0, 3 W / mK-t - több mint 10-szer nagyobb a levegőnél (0, 022 W / mK). Mivel a fémmelegítők jobb hővezetők, mint a TIM-ek, az optimális hőhatékonyságot a TIM vastagságának minimalizálásával és a felesleges anyag eltávolításával érik el.
A termikus zsírok, fázisváltozási anyagok és hővezető epoxidok a piacon elérhető hőkezelő anyagok számos fajtája. A megfelelő TIM kiválasztása egy adott alkalmazáshoz függ az alkalmazási paraméterektől, mint a teljesítménysűrűség, a feldolgozási követelmények, az újraformálhatóság és egyéb aggályok. A hővezetéses epoxidokat gyakran előnyben részesítik más alternatívákkal szemben, mivel a hőátadási képességeken kívül biztosítják a kötődést és más funkcionalitást. Ezek a multifunkcionális rendszerek mérete és súlya előnyökkel járnak a mechanikai rögzítést és stabilitást igénylő megoldásokkal szemben, valamint más előnyöket.
Több funkció végrehajtása
A hővezető polimer vegyületek epoxi-, szilikon- vagy elasztomer készítményekből állnak, amelyeket hővezető fém, kerámia vagy nanotechnológiai részecskék töltenek. A tipikus vezetőképességi értékek 1, 5 és 3, 0 W / mK között vannak, a vezetőképesség 4, 0 W / mK-nál többet is elérhet néhány speciálisan megfogalmazott minőségnél. Egy adott típusú töltőanyag esetében a formulázók a töltőanyag-részecskék koncentrációjának növelésével magasabb hővezetési értékeket érhetnek el. Van azonban kompromisszum, de kötőerõsséggel rendelkezik, mivel több töltõanyag kevesebb kohászati ​​polimer molekulát jelent. Ez a kompromisszum nem jelent problémát a legtöbb elektronikai alkalmazásra, mivel a ragasztott elektronikai komponensek tipikusan nem esnek nagy erőkkel.

1. táblázat: A közönséges anyagok ömlesztett hővezetése

A ragasztók és rokon vegyületek ismertek a különböző fizikai, elektromos és mechanikai tulajdonságok egyensúlyának mérésére. A formázók olyan tulajdonságokat igazolnak, amelyek megfelelnek a konkrét alkalmazásoknak a gyanta és a keményítő, a töltőanyag-típus és a koncentráció, valamint más adalékok kiválasztásával és a kikeményedés mértékének és módjának szabályozásával. A hővezetéses epoxi rendszerek kémiai és nedvességállósággal rendelkeznek, és tartalmaznak olyan besorolási fokozatokat, amelyek kriogénen használhatóak, valamint a 500 ° F feletti hőmérsékletnek ellenálló osztályok. Az osztályzatok, amelyek célja az elektronika megóvása a sokk és a rezgésektől, a hőkezelés mellett, szintén rendelkezésre állnak, valamint olyan készítmények, amelyek ellenállnak a termikus kerékpározásnak, és amelyek megfelelnek a NASA alacsony kibocsátású szabványainak. Az egy- és kétrészes vegyületek különböző viszkozitásúak, modulusokkal és gyógymódok, valamint epoxi filmek, különböző mérési lehetőségeket kínálnak a mérnököknek.

2. ábra: A magas hővezető képesség, a minimális kötési vonalvastagság, a teljes polimerizáció és a térelválasztás kiküszöbölése minimálisra csökkenti a termikus ellenállást a hőút mentén.

A keményedési körülmények befolyásolhatják a ragasztóanyag hővezető képességét. A túl alacsony keményedési hőmérséklet lassú keményedést és alacsonyabb keresztkötési sűrűséget eredményezhet, míg a túl magas keményedési hőmérséklet magas exotermeket eredményezhet, amelyek a ragasztórendszer kibővítéséhez vezethetnek. Optimális vezetőképességet érhetünk el, ha a teljes polimerizáció egy szakképzett formulátor által ajánlott gyógyítási ütemezéssel történik. Teljes hőkezeléssel a hővezető töltőanyag részecskék érintkeznek egymással, így elősegítve a hatékonyabb hővezetést.

A hőtermelés gondos alkalmazása a hatékony hőátadáshoz elengedhetetlen. Amint a 2. ábrán látható, az egyenletes, vékony kötésvonalak és a légrések kiküszöbölése fontos annak érdekében, hogy a lehető legalacsonyabb hőellenállással (lásd az oldalsávot) létrehozzunk egy olyan hőútvonalat, amely lehetővé teszi a hő számára, hogy hatékonyan áramoljon egy forró készülékből egy hűvösebb közeghez .

A hővezetéses epoxidokat általában kettős célra használják a hőkötés és hőátvitel érdekében olyan alkalmazásokban, mint a nagy teljesítményű félvezető szerszám, a hűtőborda, és a hőmérséklet-érzékeny alkatrészek kicserélése a nyomtatott áramkörökhöz (PCB-k). Hőkötési felületként használják a szerszám és a hőszállító között a BGA csomagokban. Bár a legtöbb hővezető epoxi elektromosan szigetelő, egyes fokozatok kombinálják a hő- és elektromos vezetőképességet fém töltőanyagokkal, és PCB-ként használhatók elektromos talajként. A termikusan vezetőképes pottingvegyületeket a transzformátorokról, tekercsekről és tápegységekről távolítják el, miközben megvédik őket a sokk, rezgésektől és más környezeti viszonyoktól. A hővezető epoxidok tömítőanyagok is működhetnek, amelyek védik a szenzorokat, csatlakozókat és csapokat a hőkezelés során.

Komponens élettartam meghosszabbítása
A mai nagyteljesítményű elektronikus készülékek több funkciót szorítanak szűk csomagokba. A teljesítmény javításának és a fejlett funkciók iránti keresletnek köszönhetően a megnövekedett villamosenergia-igényekhez vezet. A korszerű komponens meghibásodásának megakadályozása és a termék élettartamának meghosszabbítása érdekében a hatékony hőelvonás szükséges.

A hővezető vegyületek segítenek optimalizálni a hőátadást az interfészeken keresztül számos iparágban. A hőátadás mellett a ragasztás, a környezetvédelem és egyéb funkciók révén ezek a ragasztók, tömítőanyagok és potting vegyületek lehetővé teszik a kisebb, egyre erősebb elektronikus rendszereket.


Oldalsáv:

Hővezetőképesség és hőállóság
A hővezetési tényezők számszerűsítik az anyag hővezetési képességét a vezetésen keresztül. Gyakran κ-ként jelölik, a hővezetőképességet úgy definiálják, mint az ismert mintavételi területen átadott hőenergia mennyiségét egy adott időtartam alatt, amikor a minta hőmérsékleti gradiensét alkalmazzák. A közös hővezető egységek:

A hővezetőképesség inverz vagy reciprok termikus ellenállása. A termikus ellenállás (1 / κ) jellemzi az anyag ellenállását a hőáramlás ellen. Mind a hővezetés, mind a hőellenállás a hőmérsékleti funkció, mindkettő alapvető anyagi tulajdonság; azaz függetlenek az adott eszköztől vagy geometriájától. Való világi alkalmazásoknál a hővezetés fontos, de nem elegendő a hőteljesítmény értékeléséhez, mert az adott eszköz geometriája szintén fontos szempont. A hőátadás hatékonyságát legjobban egy adott tárgy hőellenállásának figyelembe vételével határoztuk meg.
A hőállóság (R) az objektum hőáram-ellenállását méri, és mind a termikus ellenállása, mind a geometriája határozza meg. Egy tárgy hőviszonya a hőmérsékletkülönbség aránya a felhasznált energiához viszonyítva, és kifejezhető az objektum geometriájának és termikus ellenállásának függvényében:

ahol L az objektum vastagsága, A felülete, κ pedig a hővezetőképessége. Ez a kapcsolat azt mutatja, hogy a felszíni területek növekedésével a termikus ellenállás csökken (ami a hűtőbordák mögötti kulcstényező), és hogy a vastagság növekedésével a termikus ellenállás nő. Az elektronikus komponensek hűtőbordáinak kötésére használt hővezető ragasztókhoz az optimális hőátadást a kötési vonalvastagság minimálisra csökkentésével érik el. Bizonyos esetekben a hővezető epoxidban a töltőanyag részecskék mérete megköveteli a minimális kötési vonalvastagságot, amely a kötési szilárdság feláldozása nélkül elérhető. Tipikus részecskemérete 40 μm, de a Master Bond olyan szabadalmazott töltőanyagokat fejlesztett ki, amelyek mindössze 3 μm átmérőjűek - javítva a hőátadási képességeket anélkül, hogy veszélyeztetné a kötés erejét.
A leghatékonyabb hőátadáshoz a hőtermelő készüléktől a hűtőközegig - például a hűtőbordát körülvevő levegőt - minimálisra kell csökkenteni. Ezt úgy érjük el, hogy hővezető, nagy hővezetőképességű vegyületet választunk ki, amely végső soron kikeményedik, biztosítva a megfelelő nedvesedést és a kötésvonal egységességét, minimálisra csökkenti a kötés vonalvastagságát és kiküszöböli a légkört a kötésvonalon.

ROBERT MICHAELS, a műszaki értékesítés alelnöke, Master Bond, www.masterbond.com