Isı Emici Nasıl Monte Edilir: Vidalar, Klipsler, Yapıştırıcılar ve Termal Pedler?
Isı emicisini monte etmenin en güvenilir yöntemi, 20 ila 50 lbf arasında tutarlı bir aşağı yönlü kuvvet sağlayan ve tipik olarak uygun termal macunla 0,05 ila 0,15 °C/W arasında en düşük termal direnci elde eden vidalar ve yaylarla mekanik sıkıştırmadır. Yapıştırıcılar ve termal pedler, yalnızca 5 W altındaki düşük güçlü bileşenler için veya servis gereksinimi olmadığında uygundur; çünkü bunlar daha yüksek termal direnç ve daha düşük mekanik dayanım sunar. Üretim ortamları için, -40 °C ila 150 °C arasındaki tüm sıcaklık aralığında basıncı korumak üzere yaylı mekanizmaya sahip vida montajını seçin.
Vida Montajlı Isı Emiciler İçin Kuvvet ve Tork Gereksinimleri Nelerdir?
Vida montajı, termal performans ile mekanik stres arasında denge kurmak için belirli bir sıkıştırma kuvveti gerektirir. Tipik bir TO-220 paketi için, M3 vida için önerilen montaj torku 4 ila 6 in-lb (0,45 ila 0,68 N·m)'dir ve bu da yaklaşık 200 ila 300 N'luk bir sıkıştırma kuvvetine karşılık gelir. Intel LGA soketleri gibi işlemci paketlerindeki daha büyük ısı emiciler için gereken aşağı yönlü kuvvet, termal arayüz malzemesine (TIM) ve ısı emici taban düzlüğüne bağlı olarak 30 ila 80 lbf (133 ila 356 N) arasındadır. Önerilen torkun aşılması bileşen paketini eğebilir ve düzensiz temas nedeniyle termal direnci yüzde 10 ila 20 artırabilir.
Klips Montaj Sistemleri Termal Performansta Vida Montajıyla Nasıl Karşılaştırılır?
CPU soğutucularında ve güç modüllerinde yaygın olarak kullanılan klips montajı, bir sokete veya PCB standoff'larına takılan yay çeliği bir klips aracılığıyla kuvvet uygular. İyi tasarlanmış bir klips montajının termal performansı, temas basıncı 10 psi (69 kPa) üzerinde kaldığı sürece, yalnızca 0,01 ila 0,03 °C/W'lık bir termal direnç farkıyla vida montajıyla neredeyse aynıdır. Ancak klipsler titreşime ve termal döngüye karşı daha hassastır; 25 °C'den 100 °C'ye 10.000 döngü boyunca, yay malzemesindeki gerilim gevşemesi nedeniyle klips kuvveti yüzde 15 ila 25 oranında azalabilir. Vidalar, aynı döngü boyunca sıkıştırma kuvvetlerini yüzde 5 içinde korur ve bu da onları yüksek titreşimli otomotiv ve endüstriyel uygulamalar için üstün kılar.
Isı Emicilerini Bileşenlere Bağlamak İçin Hangi Yapıştırıcı Türleri Uygundur?
Kalıcı bağlama için, termal olarak iletken epoksi yapıştırıcılar birincil seçimdir. Alümina veya bor nitrür dolgulu olanlar gibi iki bileşenli epoksiler, 1,0 ila 2,5 W/m·K termal iletkenlik ve alüminyum yüzeylerde 10 ila 20 MPa bağ dayanımı sunar. Tek bileşenli, ısıyla kürlenen epoksiler, 30 dakika boyunca 120 °C'lik bir kür programı gerektirir ve daha hızlı çevrim süreleri nedeniyle yüksek hacimli üretimde tercih edilir. Silikon bazlı yapıştırıcılar, çalışma sıcaklığı 150 °C'yi aştığında kullanılır, ancak termal iletkenlikleri tipik olarak 0,6 ila 1,2 W/m·K ile daha düşüktür. Yapıştırıcı tabaka kalınlığı 0,05 mm ile 0,15 mm arasında kontrol edilmelidir; daha kalın tabakalar, 0,1 mm başına yaklaşık 0,1 °C/W termal direnci artırır.
Macun veya Yapıştırıcı Yerine Termal Pedleri Ne Zaman Kullanmalısınız?
Termal pedler, yeniden işlenebilirlik, boşluk doldurma veya otomatik montaj gerektiren tasarımlar için idealdir. 1,0 mm kalınlığında silikon bazlı bir termal ped, yaklaşık 1,5 °C·cm²/W termal dirence sahiptir; bu, iyi uygulanmış 0,05 mm'lik bir termal macun tabakasından (0,15 °C·cm²/W) 5 ila 10 kat daha yüksektir. Isı emici ile bileşen arasındaki boşluk yüzey boyunca 0,2 mm'den fazla değiştiğinde termal pedleri kullanın; çünkü pedler hava boşlukları riski olmadan toleransları doldurmak için sıkışır. Ayrıca, maksimum izin verilen montaj basıncının 5 psi (34 kPa) altında olduğu BGA paketleri gibi düşük basınç limitlerine sahip bileşenler için de tercih edilirler.
Termal Arayüz Malzemesi Seçimi Jonksiyon Sıcaklığını Nasıl Etkiler?
TIM seçimi, jonksiyon-kasa termal direncini (RthJC) doğrudan etkiler. RthJC'si 0,5 °C/W olan 100 W'lık bir güç cihazı için, 0,05 °C·cm²/W dirence ve 0,05 mm bağ hattına sahip bir termal macun kullanmak, arayüzde 10 °C'lik bir sıcaklık artışı sağlar. 1,5 °C·cm²/W dirençli 1,0 mm'lik bir termal ped kullanırsanız, arayüz sıcaklık artışı 30 °C'ye çıkar ve potansiyel olarak 125 °C'lik maksimum jonksiyon sıcaklığını aşar ve her 10 °C'lik artış için cihaz ömrünü yarıya indirir. Faz değiştiren malzemeler, 50 ila 60 °C'lik erime noktalarından sonra 0,3 ila 0,5 °C·cm²/W termal dirençle bir orta yol sunar, ancak optimum ıslanma için en az 30 psi sıkıştırma basıncı gerektirirler.
Isı Emici Montajı İçin Önerilen Yüzey İşlemi ve Düzlük Nedir?
Isı emici taban yüzeyi, temas alanının tamamında 0,05 mm veya daha iyi bir düzlüğe sahip olmalıdır. Yüzey pürüzlülüğü 0,8 ila 1,6 mikrometre Ra aralığında olmalıdır; 0,4 mikrometrenin altındaki daha pürüzsüz yüzeyler, sıkıştırma sırasında macunun dışarı sıkılmasına neden olabilirken, 3,2 mikrometrenin üzerindeki daha pürüzlü yüzeyler hava hapseder ve termal direnci artırır. Alüminyum ısı emiciler için, 5 ila 10 mikrometre kalınlığında kimyasal dönüşüm kaplaması (kromat veya anodize) montaj yüzeyleri için kabul edilebilir, ancak kaplama 25 mikrometreyi aşarsa anodizasyon termal iletkenliği yüzde 10'a kadar azaltabilir. Üretimde, termal macunla en iyi sonuçlar için ortalama 1,0 mikrometre Ra pürüzlülüğe sahip işlenmiş bir yüzey (ekstrüde değil) öneriyoruz.
| Montaj Yöntemi | Tipik Termal Direnç (°C·cm²/W) | Sıkıştırma Kuvveti Aralığı | Maks. Çalışma Sıcaklığı (°C) | Yeniden İşlenebilir | Önerilen Güç Aralığı |
| Yaylı rondelalı vidalar | 0,05 ila 0,15 | 200 ila 350 N | 150 (standart TIM ile) | Evet | 10 W ila 500 W |
| Yay çeliği klips | 0,06 ila 0,18 | 100 ila 250 N | 130 | Evet | 5 W ila 150 W |
| Termal iletken epoksi | 0,15 ila 0,30 | N/A (bağ dayanımı 10 MPa) | 200 | Hayır | 1 W ila 25 W |
| Termal ped (1,0 mm) | 1,2 ila 1,8 | 5 ila 50 N (düşük basınç) | 120 | Evet | 0,5 W ila 5 W |
| Faz değiştiren malzeme | 0,30 ila 0,50 | 200 ila 400 N (gerekli) | 125 | Evet | 5 W ila 50 W |
Isı Emicisini Monte Etmeden Önce Yüzeyleri Nasıl Hazırlamalısınız?
Yüzey hazırlığı her montaj yöntemi için kritiktir. Yağları, tozu ve oksit tabakalarını temizlemek için temas yüzeylerini izopropil alkolle (yüzde 99 saflık) temizleyin; temiz bir yüzey termal macunun ıslanmasını yüzde 30 ila 40 artırır. Yapıştırıcı bağlama için, 120 kumlu zımpara kağıdı veya Scotch-Brite ped ile yağ giderme ve aşındırma, mekanik kilitlenme sağlayarak bağ dayanımını yüzde 15 ila 25 artırır. Termal macunu, bir şablon veya spatula kullanarak 0,025 ila 0,05 mm'lik ince, homojen bir tabaka halinde uygulayın; sıcak noktaları önlemek için tipik kaplama, ısı emici taban alanının yüzde 90'ı veya daha fazlası olmalıdır. Montajdan sonra, bileşen ile ısı emici arasındaki boşluğu bir filmaşin ile ölçerek bağ hattı kalınlığını doğrulayın; boşluk 0,1 mm'yi geçmemelidir.
Termal Döngü, Yapıştırıcı ve Klips Montajlarının Güvenilirliğini Neden Etkiler?
Termal döngü, bileşen (tipik olarak CTE'si 2,6 ppm/°C olan silikon), ısı emici (23 ppm/°C'de alüminyum) ve montaj arayüzü arasında diferansiyel genleşmeye neden olur. -40 °C'den 125 °C'ye 1.000 döngü boyunca, yapıştırıcı bağ üzerindeki kayma gerilimi, standart epoksi yapıştırıcıların arıza eşiğine yaklaşan 5 ila 10 MPa'ya ulaşabilir. Klipsler, 5.000 döngüden sonra başlangıç kuvvetlerinin yüzde 10 ila 20'sini kaybederek gerilim gevşemesi yaşar ve bu da termal direnci yüzde 20 veya daha fazla artırır. Yaylı rondelalı vida montajları, sabit bir yük koruyarak bunu azaltır; yay, 50 mm uzunluğundaki bir düzenekte 0,15 mm'ye kadar olan diferansiyel genleşmeyi telafi eder. Aşırı sıcaklık değişimleri olan tasarımlar için, 10.000 döngü boyunca kuvveti yüzde 5 içinde tutan bir Belleville rondelalı yaylı vida montajı kullanın.
Isı Emici Montajında Erken Arızaya Yol Açan Yaygın Hatalar Nelerdir?
En sık yapılan hata, bileşen kalıbını veya seramik paketi çatlatabilen vidaların aşırı sıkılmasıdır; bir TO-220 için maksimum vida torku 6 in-lb'dir ve bunu 2 in-lb aşmak paket çatlama riskini yüzde 50 artırır. İkinci bir hata, uygulama için çok kalın bir termal ped kullanmaktır; gereken 1,0 mm yerine 2,0 mm'lik bir ped termal direnci ikiye katlar ve jonksiyon sıcaklığının 15 ila 20 °C daha yüksek olmasına yol açar. Üçüncü bir hata, 0,2 mm veya daha fazla kalın bir tabaka oluşturan aşırı termal macun uygulamaktır; bu, 0,05 mm'lik bir tabakaya kıyasla termal direnci 0,3 °C/W artırabilir. Son olarak, ısı emici tabanının düzlüğünü göz ardı etmek yaygındır; 0,1 mm'den fazla içbükey olan bir taban, bileşene merkezde temas etmeyecek ve yalıtkan görevi gören bir hava boşluğu bırakacaktır.
SSS
Vida Montajlı Bir Isı Emicisi İçin Maksimum Çalışma Sıcaklığı Nedir?
Maksimum çalışma sıcaklığı vidanın kendisine değil, TIM'e ve ısı emici malzemesine bağlıdır. Standart silikon bazlı termal macunla sınır 150 °C'dir; lehim veya grafit bazlı TIM'lerle 250 °C'ye kadar sıcaklıklar mümkündür. Alüminyum ısı emiciler 200 °C'nin üzerinde mekanik dayanım kaybeder, bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamaları için bakır veya bakır katkılı alüminyum alaşımları (örn. 6061-T6) önerilir.
Isı Emicisini Çıkardıktan Sonra Termal Pedi Yeniden Kullanabilir miyim?
Hayır, termal pedler tek kullanımlık ürünlerdir. Sıkıştırıldıktan sonra ped esnekliğini ve uyumluluğunu kaybeder, bu nedenle yeniden takma hava boşlukları oluşturur ve termal direnci yüzde 30 ila 50 artırır. Yeniden monte etmeden önce her zaman pedi değiştirin ve her iki yüzeyi izopropil alkolle temizleyin.
Termal İletken Epoksinin Kürlenmesi Ne Kadar Sürer?
İki bileşenli epoksi yapıştırıcılar tipik olarak oda sıcaklığında (25 °C) 24 saatte kürlenir, ancak taşıma dayanımına 2 ila 4 saatte ulaşılır. Üretim için, 1 saat boyunca 80 °C'ye ısıtarak kürlenmeyi hızlandırabilirsiniz; bu, nihai bağ dayanımının yüzde 90'ını elde eder. Kürlenme sürecinde bileşene güç uygulamayın; ısı, epoksinin gaz çıkışına ve boşluklar oluşturmasına neden olabilir.
Basınç Açısından Termal Ped ile Termal Macun Arasındaki Fark Nedir?
Termal macun, ince bir bağ hattı elde etmek için orta düzeyde basınç (20 ila 50 psi) gerektirirken, termal pedler sıkışmak için yalnızca 5 ila 10 psi gerektirir. BGA paketleri gibi düşük basınçlı bileşenler, yüksek sıkıştırma kuvvetlerine dayanamadıkları için genellikle ped kullanır. Ancak düşük basınç, pedin ince sıkıştırılamayacağı anlamına gelir ve bu da daha yüksek termal dirence neden olur.
200 W'lık Bir IGBT Modülü İçin En İyi Montaj Yöntemi Hangisidir?
200 W'lık bir IGBT modülü için, 8 ila 10 in-lb sıkıştırma torkuyla dört M4 vida kullanarak vida montajı yapın. 3 W/m·K veya daha yüksek termal iletkenliğe sahip bir faz değiştiren malzeme veya yüksek performanslı termal macun uygulayın. Isı emici tabanı 0,05 mm'ye kadar düz olmalı ve 1,0 mikrometre Ra yüzey pürüzlülüğüne sahip olmalıdır.
Belirli Bir Termal Bütçe İçin Gerekli Sıkıştırma Kuvvetini Nasıl Hesaplarım?
Önce izin verilen maksimum jonksiyon sıcaklığını (örn. 125 °C) ve ortam sıcaklığını (örn. 50 °C) belirleyin. İzin verilen toplam sıcaklık artışından kasa-soğutucu termal direncini (TIM'den) ve soğutucu-ortam direncini (ısı emici veri sayfasından) çıkarın. Sıkıştırma kuvveti, TIM'i derecelendirilmiş bağ hattına sıkıştırmak için yeterli olmalıdır; macun için bu, 20 mm x 20 mm'lik bir bileşen için tipik olarak 200 ila 300 N'dir ve bu da 50 ila 75 psi'ye karşılık gelir.
Termal Arayüz Malzemelerinin Raf Ömrü Nedir?
Termal macunlar ve pedler, 25 °C'de ve yüzde 60 bağıl nemin altında kapalı bir kapta saklandığında 12 ila 24 ay raf ömrüne sahiptir. Yap
