Побољшање поузданости електронских склопова

Authors, Lawyers, Politicians, Statesmen, U.S. Representatives from Congress (1950s Interviews) (Јули 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Мултифункционална топлотно проводљива једињења могу помоћи у побољшању поузданости ЛЕД.

За многе електронске уређаје карактеристике перформанси утичу на температуру. Превише топлоте може довести до квара компоненте или преурањене грешке компоненте. На пример, главни узрок отказа светлости-диода (ЛЕД) је повећана температура споја. Спајање ЛЕД-а, где су два типа полупроводника спојена заједно, позната је као врућа тачка, јер и топлота и светлост се емитују како се троши електрична енергија. Како температура споја расте, излаз светлости се смањује и боја се помера према плавој боји. Производи као што су телевизијски дисплеји, ручни електронски уређаји, електронски сигнали и фарови за дневну светлост зависе од ЛЕД диода за стварање поузданог светла.
Прекомерне топлотне пријетње
За ЛЕД-е, као и транзисторе и друге полупроводничке електроничке компоненте, неуспјех да остане испод одређених граница температуре, као што је максимална температура споја или максимална температура кућишта, могу довести до неповратних оштећења и трајних промјена перформанси. Отпадна топлота произведена великим струјама у енергетским трансформаторима и полупроводницима за снабдевање електричном енергијом може довести до прегревања ових уређаја, потенцијално компромитованих перформанси. Топлост мора бити уклоњена како би се одржале радне температуре унутар спецификација и осигурала поузданост компоненте.
Спецификације температуре састајања постале су велики изазов последњих година, јер се више функционалности стисне у све скупље пакете. Најсавременије 22-нм процесне геометрије омогућавају стварање интегрисаних кола (ИЦс) са густином транзистора преко 8 милиона транзистора по квадратном милиметру. Висока транзисторска густоћа значи мање површинске површине за расипање топлоте - и још више врелих тачака - на микропроцесоре и друге чипове високих перформанси. Поред тога, миниатуризиране компоненте често су упаковане у чипове који чувају ИЦ чипове, као што су пакети чипова и низови са лоптастим мрежама (БГАс), ограничавајући топлоту на мале кућишта. Теже технологије паковања, као што је систем на чипу (СОЦ), у коме се компоненте сложне једна на другу, такође погоршавају проблем дисипације топлоте.
Управљање топлотом према дизајну
Ефикасно управљање топлотом постало је највећи приоритет у модерном електронском дизајну и пакирању. Топлост мора бити уклоњена на нивоу масе, компоненте и подлоге на начин који балансира перформансе, поузданост, цену и, у неким случајевима, тежину. Постоје три начина преноса топлоте: проводљивост, конвекција и зрачење. Циљ управљања топлотом је да одреди економични и ефикасан пут за пренос топлоте са уређаја на животну средину користећи једну или више техника преноса топлоте.
Топови се обично користе за пренос топлотне енергије од микропроцесора, транзистора снаге, ЛЕД поља и других уређаја у околни ваздух (погледајте слику 1 ). Обично направљен од алуминијумске легуре или другог метала, хладњак се састоји од равне површине са ребрима или другим прозорима дизајнираним да повећају његову површину. Равна површина се налази у контакту са електронским уређајем тако да топлота протиче из уређаја у хладњак, проводи се кроз хладњак и конвексира се на околни ваздух. Количина топлоте која се преноси преко конвекције је пропорционална површини на тачки преноса, тако да екстензивне површине хладњака значајно повећавају количину топлоте која се испушта у ваздух.

Слика 1: Судопери преносе топлоту од електричних уређаја у околни ваздух.

Специјални материјали преносе топлоту
Посебно формулисани материјали термичког сучеља (ТИМ) често се примењују између уређаја који генерише топлоту и хладњака како би се испунио топлотноизолациони ваздушни размак и максимална ефикасност преноса топлоте. ТИМ карактерише топлотна проводљивост (погледајте бочну траку ), која обично прелази 0, 3 В / мК - више од 10 пута већа од зрачења (0, 022 В / мК). Пошто су метални хладњачи боље термални проводници од ТИМ-а, оптимална термичка ефикасност се постиже минимизацијом дебљине ТИМ-а и елиминацијом вишка материјала.
Термалне масти, материјали за измену фазе и термо проводне епоксије су неке од многих врста термичких материјала који су доступни на тржишту данас. Одабир одговарајућег ТИМ-а за одређену апликацију зависи од параметара апликација, као што су густина снаге, захтјеви за обрадом, могућност репродуцирања и друга питања. Термички проводљиве епоксије често су пожељне у односу на друге алтернативе јер обезбеђују додатак и друге функционалности поред могућности преноса топлоте. Ови мултифункционални системи нуде велику и тежинску предност у односу на решења која захтевају механичку везу и стабилност, као и друге погодности.
Извођење више функција
Термо проводљива полимерна једињења се састоје од епокси, силиконских или еластомерних формулација испуњених термичко проводним металима, керамиком или нанотехничким честицама. Типичне вредности проводљивости се крећу од 1, 5 до 3, 0 В / мК, а проводљивост достиже чак 4, 0 В / мК за неке специјалне формуле. За одређени тип пунила, формулатори могу постићи веће вредности топлотне проводљивости повећањем концентрације честица пунила. Међутим, постоји и компромис, с јачом везе, јер више пунила значи мање молекула полимера доступних за кохезију. Овај компромис није проблем за већину електронских апликација јер везане електронске компоненте обично нису подвргнуте високим сили.

Табела 1: Укупна топлинска проводност заједничких материјала

Лепкови и слична једињења познати су по својој способности да балансирају различите физичке, електричне и механичке особине. Формулатори прилагођавају особине које одговарају специфичним апликацијама помоћу селекције смоле и учвршћивача, врсте пунила и концентрације, и других адитива и контролисањем степена и методе лечења. Топлотно проводљиви епоксидни системи нуде хемијску и влагу отпорност на воду и укључују класе који су криогено примјењиви, као и вриједности које се одупиру температурама изнад 500 ° Ф. Вредности које су дизајниране да штите електронику од удара и вибрација, поред управљања топлотом, такође су доступне, као и формулације које могу издржати термички бициклизам и оцене које испуњавају НАСА стандарде ниске гашења. Једнокомпонентна и двокомпонентна једињења са различитим вискозитетима, модулима и распоређивањем лека, као и епоксидним филмовима, нуде инжењере различитим апликацијама.

Слика 2: Висока топлотна проводљивост, минимална дебљина дебљине везе, потпуна полимеризација и елиминација празнина помажу у смањењу топлотне отпорности дуж термалног пута.

Услови за очвршћавање могу утицати на топлотну проводљивост лепка. Исувише ниска температура може да доведе до спорог лечења и смањења густине унакрсног повезивања, док превисока температура може да доведе до високих егзотерми што може проузроковати ширење лепљивог система. Оптимална проводљивост се постиже када се потпуна полимеризација одвија кроз распоред за излечење препоручен од познатог формулатора. Са потпуним очвршћавањем, термички проводне честице пуњача ступају у контакт једни са другима, што олакшава ефикаснију топлотну проводљивост.

Пажљива примена термичког производа је неопходна за ефикасан пренос топлоте. Као што је приказано на Слици 2, једнообразне, танке линије веза и отклањање ваздушних размака важне су за стварање топлотне стазе са најнижом могућом термичком отпорношћу (види бочну траку), омогућавајући топлоту да ефикасно протиче са врелог уређаја на хладнији медијум .

Топлотно проводљиве епоксије се најчешће користе за двоструку сврху везивања и преноса топлоте у применама као што су везивање полупроводника високе снаге, прикључак хладњака и компоненте за осјетљиве температуре на штампане плоче (ПЦБ). Они се такође користе као интерфејс за термичку везу између матрице и расхладног уређаја у БГА пакирањима. Иако су топлотно проводљиве епоксије електрично изоловане, неке оцене комбинују термичку и електричну проводљивост помоћу металних пунила и могу се користити као електрична тла на ПЦБ-у. Сродна топлотно проводљива потапљива једињења се користе за пренос топлоте од трансформатора, намотаја и напајања док их штите од удара, вибрација и других услова околине. Термо проводљиве епоксије могу такође функционирати као заптивне масе за заштиту сензора, конектора и игле док управља топлотом.

Продужавање трајања компоненте
Данашњи електронски уређаји високих перформанси чине више функционалности у строжијим пакетима. Тржишна потражња за побољшањем перформанси и напредним карактеристикама претвара се у повећане захтјеве за снабдевање електричном енергијом - повећавајући више излазе топлоте. Ефикасно уклањање топлине је неопходно како би се спречило преурањено отварање компоненте и продужио животни век производа.

Топлотно проводљива једињења помажу у оптимизацији преноса топлоте преко интерфејса у различитим апликацијама у више индустрија. Пружањем додатака, заштите животне средине и других функција поред преноса топлоте, ови лепкови, заптивна средства и потапајући састојци омогућавају мање и све снажније електронске системе.


Сидебар:

Термичка проводљивост и топлотна отпорност
Термичка проводљивост квантифицира способност материјала за пренос топлоте путем проводљивости. Често се означава као κ, термичка проводљивост се дефинише као количина топлотне енергије пренете преко познате површине узорка у одређеном временском периоду када се примјењује температурни градијент узорка. Заједничке јединице топлотне проводљивости су:

Инверзна или реципрочна топлотна проводљивост је термичка отпорност. Термичка отпорност (1 / κ) карактерише способност материјала да се супротстави токовима топлоте. И топлотна проводљивост и термичка отпорност су функције температуре, и оба су основна својства материјала; то јест, они су независни од специфичног уређаја или његове геометрије. У апликацијама из стварног света, топлотна проводљивост је важна, али није довољна за процјену топлотних перформанси, јер је геометрија специфичног уређаја такођер важна. Ефикасност преноса топлоте најбоље се одређује узимањем у обзир топлотне отпорности одређеног објекта.
Термичка отпорност (Р) мјери отпорност објекта на топлотни ток, а одређује се и због термичке отпорности и његове геометрије. Топлотна отпорност објекта је однос разлике у температури са распршеном снагом и може се изразити као функција геометрије објекта и термичке отпорности:

где је Л дебљина објекта, А је његова површина, а κ је његова топлотна проводљивост. Овакав однос илуструје да када се површина повећава, топлотна отпорност се смањује (што је кључни принцип иза хладњака), а како се дебљина повећава, топлотни отпор се повећава. За термички проводне лепкове који се користе за везивање топлотних судопера са електронским компонентама, оптимални пренос топлоте се постиже минимизирањем дебљине везе. У неким случајевима, величина честица пунила у топлотно проводљивом епоксиду диктира минималну дебљину линије везе која се постиже без жртвовања чврстоће везе. Типична величина честица је 40 μм, али Мастер Бонд је развио заштићене пунилице које мере само 3 μм преко - побољшавајући способности преноса топлоте без угрожавања јачине везе.
За најефикаснији пренос топлоте, укупна топлотна отпорност пута од уређаја за генерисање топлоте до расхладног медија - на пример, ваздух који окружује хладњак, треба минимизирати. Ово се постиже одабиром топлотно проводљивог споја са високом топлотном проводношћу, очвршћавањем до завршетка, осигуравањем адекватности при мокрима и линијским линијама, минимизацијом дебљине везе и елиминацијом ваздушних празнина у линији веза.

РОБЕРТ МИЦХАЕЛС, потпредседник техничке продаје, Мастер Бонд, ввв.мастербонд.цом