haberler

Isı Emici Taban Plakası Nedir ve Düzlük Neden Önemlidir?

Bir ısı emici taban plakası, ısı emici düzeneğinin, tipik olarak bir CPU, IGBT veya güç modülü olan ısı kaynağıyla doğrudan temas eden ve termal enerjiyi bağlı kanatçıklara veya ısı borularına yayan katı metal temelidir. Düzlük önemlidir çünkü taban plakası ile bileşen yüzeyi arasındaki hava boşluğunun boyutunu belirler ve bu da termal direnci doğrudan kontrol eder; 0,05 mm'lik bir sapma, termal direnci %20'den fazla artırabilir ve bağlantı sıcaklıklarının 10-15°C yükselmesine neden olabilir. Pratik açıdan, 100 mm karelik bir taban plakasında 0,05 mm veya daha iyi bir düzlük elde etmek, güvenilir bir 80°C çalışma sıcaklığı ile 105°C'de erken arıza arasındaki farktır.

Taban Plakası Düzlüğü Termal Performansı Nasıl Etkiler?

Temel prensip, havanın yalnızca 0,026 W/m·K iletkenliğe sahip bir ısı yalıtkanı olduğu, alüminyumun 150-200 W/m·K ve bakırın 380-400 W/m·K ile ısı ilettiğidir. Bir taban plakası düz olmadığında, taban plakası ile ısı kaynağı arasındaki temas alanı azalır ve boşluklar hava veya termal arayüz malzemesi (TIM) ile dolar. Tipik bir 50 mm x 50 mm IGBT modülü için, 0,10 mm'lik bir düzlük sapması etkin temas alanını %35-40 oranında azaltır ve TIM katmanını boşluğu köprülemeye zorlar. Çoğu TIM'in termal iletkenliği 1-8 W/m·K olduğundan, arayüzün termal direnci 0,05 °C/W'den 0,12 °C/W'ye yükselebilir ve bu da 300 W güç dağıtımında 15-20°C daha yüksek bir kasa sıcaklığı anlamına gelir. Sektördeki temel kural, her 0,025 mm'lik düzlük sapmasının 100 cm²'lik bir arayüz için yaklaşık 0,02 °C/W termal direnç eklediğidir.

Bir Isı Emici Taban Plakası Hangi Düzlük Toleransına Sahip Olmalıdır?

Gerekli düzlük toleransı, taban plakasının boyutuna, montaj yöntemine ve uygulamanın termal bütçesine bağlıdır. 150 mm uzunluğa kadar standart alüminyum taban plakaları için, tüketici elektroniğinde 0,05 mm toplam gösterge değeri (TIR) düzlüğü tipiktir; yüksek performanslı sunucu ve telekomünikasyon uygulamaları ise 0,03 mm TIR gerektirir. Raylı taşımacılık konvertörlerinde kullanılanlar gibi 300 mm'yi aşan daha büyük taban plakaları için, işleme sırasındaki malzeme gerilimi ve eğilme nedeniyle tolerans 0,10 mm TIR'a gevşetilir. Daha yumuşak ve eğilmeye daha yatkın olan bakır taban plakaları, 0,05 mm TIR'ı korumak için tipik olarak işleme sonrası bir gerilim giderme adımı gerektirir. CNC işleme tesisimizde, vakumlu aynalar ve çok adımlı frezeleme kullanarak 200 mm x 200 mm alüminyum taban plakalarında rutin olarak 0,02 mm düzlük elde ediyoruz, ancak bu, 0,10 mm toleransa kıyasla işleme maliyetine %15-20 ekler.

Isı Emici Taban Plakaları İçin Hangi Malzemeler En İyisidir?

Baskın iki malzeme alüminyum 6063-T5 ve bakır C1100'dür; alüminyum, maliyet ve ağırlık nedeniyle uygulamaların %85'i için varsayılan seçimdir. Alüminyum 6063-T5, 200 W/m·K termal iletkenlik, 2,7 g/cm³ yoğunluk ve kilogram başına yaklaşık 4-6 $ malzeme maliyeti sunar ve bu da onu doğal konveksiyon ve zorlamalı hava soğutması için ideal kılar. Bakır C1100, 390 W/m·K iletkenlik sağlar ancak kilogram başına 12-15 $ maliyeti ve 8,9 g/cm³ ağırlığı vardır; bu nedenle alanın kısıtlı olduğu ve ısı akısının 50 W/cm²'yi aştığı yüksek yoğunluklu güç elektroniği için ayrılmıştır. Hibrit bir seçenek olan alüminyum kanatçıklı bakır taban plakası, üst düzey IGBT modüllerinde kullanılır; ancak bimetalik arayüz, 100°C'lik bir sıcaklık değişiminde 0,02-0,04 mm düzlük değişikliklerine neden olabilen diferansiyel termal genleşmeyi yönetmek için dikkatli tasarım gerektirir. Aşırı uygulamalar için, molibden-bakır (MoCu) ve bakır-tungsten (CuW) kompozitler, seramiklerle termal genleşme eşleşmesi sunar ancak kilogram başına 80-200 $ maliyeti vardır.

İşleme Gerilimi Neden Taban Plakası Eğilmesine Neden Olur?

Bir ısı emici taban plakası katı bir bloktan veya levhadan işlendiğinde, malzemenin kaldırılması, haddeleme veya ekstrüzyon işlemi sırasında kilitlenen iç gerilimleri serbest bırakır. Örneğin, bir tarafı 6 mm'ye işlenen 10 mm kalınlığındaki bir alüminyum levha, kalan malzeme bir tarafta daha ince olduğu ve iç gerilim dağılımı dengesiz hale geldiği için 0,10-0,30 mm eğilir. Kesme işleminin kendisi de artık gerilim ekler: 0,5 mm kesme derinliğine sahip tipik bir yüzey frezeleme işlemi, taban plakasının kenarlarda yukarı doğru kıvrılmasına neden olabilen 50-150 MPa yüzey basma gerilimleri üretir. Bunu en aza indirmek için üreticiler iki aşamalı bir işleme süreci kullanır: son kalınlığın 0,3 mm yakınına kadar kaba işleme, ardından 180-220°C'de 2-4 saatlik bir gerilim giderme ısıl işlemi ve ardından son işleme geçişi. Bu süreç eğilmeyi %60-70 oranında azaltır, ancak üretim süresine 8-12 saat ve maliyete %10-15 ekler. Bir alternatif, %5-8 daha pahalıya mal olan ancak işleme sonrası ısıl işlem ihtiyacını ortadan kaldıran önceden gerilimi giderilmiş levha malzeme kullanmaktır.

Düzlüğü Korumak İçin Bir Taban Plakası Nasıl Monte Edilmelidir?

Montaj yöntemi, sıkma kuvvetleri serbest durumdayken mükemmel düz olan bir taban plakasını deforme edebileceğinden, son düzlük üzerinde işleme süreci kadar etkiye sahiptir. Önerilen yaklaşım, köşelerde birkaç yüksek torklu vida yerine, çevre çevresinde 20-30 mm aralıklı dağıtılmış bir vida deseni ve M3 vidalar için 0,5-1,0 N·m tork kullanmaktır. 100 mm'den büyük taban plakaları için, yükü eşit şekilde dağıtmak üzere merkeze monte edilmiş bir yay klipsi veya bir baskı plakası önerilir. Şasi veya soğuk plaka üzerindeki montaj yüzeyi de ideal olarak 0,05 mm içinde düz olmalıdır; çünkü bir taban plakası basınç altında montaj yüzeyine uyum sağlar; montaj yüzeyinde 0,15 mm'lik bir çıkıntı varsa, taban plakası lokal olarak deforme olur ve doğrudan ısı kaynağının altında bir boşluk oluşturur. Termal arayüz malzemeleri, faz değiştiren malzemeler için 0,05-0,10 mm ve silikon bazlı gresler için 0,10-0,20 mm kontrollü bir kalınlıkta, tekdüzelik sağlamak için bir şablon veya dağıtım robotu kullanılarak uygulanmalıdır. Testlerimizde, 0,03 mm düzlüğe sahip uygun şekilde monte edilmiş düz bir taban plakası 0,04 °C/W termal direnç elde ederken, 0,15 mm sapma ile eğri bir yüzeye monte edilen aynı taban plakası 0,09 °C/W'ye bozulur.

Bir Isı Emici Taban Plakasında Hangi Yüzey İşlemi Gerekir?

Taban plakası temas alanının yüzey işlemi Ra (aritmetik ortalama pürüzlülük) olarak belirtilir ve çoğu uygulama için 0,4 ile 1,6 µm arasında olmalıdır; 0,8 µm, TIM tabanlı arayüzler için endüstri standardıdır. 3,2 µm'nin üzerinde çok pürüzlü bir yüzey, TIM'in vadileri doldurmasını engelleyen ve termal direnci artıran hava cepleri bırakan mikroskobik tepeler oluşturur. 0,2 µm'nin altında çok pürüzsüz bir yüzey, TIM'in basınç altında tamamen sıkılmasına neden olabilir ve mikroskobik boşluklar nedeniyle daha yüksek temas direncine sahip olduğu için aslında daha kötü olan metal-metal temasıyla sonuçlanabilir. Düzlük ve yüzey işlemi bağımsız özelliklerdir: bir taban plakası mükemmel düz ancak pürüzlü bir yüzeye sahip olabilir veya pürüzsüz ancak eğri olabilir ve her iki durum da kabul edilemez. TIM olmadan doğrudan metal-metal temas için (ki bu nadirdir ve sıvı metal veya indiyum folyo gerektirir), düzlük 0,01 mm'ye ve yüzey işlemi 0,2 µm'ye iyileştirilmelidir, ancak bu yalnızca 50 mm'nin altındaki küçük taban plakaları için uygundur. 0,1 mm kesme derinliğinde ve 0,05 mm/devir ilerleme hızında ince bir işleme geçişi ile standart CNC işleme, alüminyumda güvenilir şekilde 0,8 µm Ra üretir.

İşlenmiş Taban Plakaları için Tipik Maliyetler ve Teslim Süreleri Nelerdir?

Bir ısı emici taban plakasının maliyeti malzeme, işleme süresi ve tolerans gereksinimlerine göre belirlenir; düzlük en büyük maliyet sürücüsüdür. 0,10 mm düzlüğe sahip 100 mm x 100 mm x 8 mm alüminyum taban plakası için, 500-1000 adetlik miktarlarda işleme maliyeti parça başına 8-12 $ olup, malzeme tedariki dahil teslim süresi 2-3 haftadır. Düzlüğün 0,03 mm'ye sıkılaştırılması, ek kurulum, daha yavaş ilerleme hızları ve standart tolerans için %1'e karşılık %3-5'lik daha yüksek hurda oranı nedeniyle maliyeti parça başına 15-20 $'a çıkarır. Aynı boyuttaki bakır taban plakaları için malzeme maliyeti parça başına 15-18 $'dır ve daha yüksek kesme kuvvetleri ve takım aşınması nedeniyle işleme 20-25 $ ekler; bakır işleme, alüminyumdan 2-3 kat daha fazla takım aşınması üretir. Aşağıdaki tablo, yaygın taban plakası konfigürasyonları için tipik fiyatlandırmayı ve özellikleri özetlemektedir.

Alüminyum Yerine Ne Zaman Bakır Taban Plakası Kullanmalısınız?

Bakır ve alüminyum taban plakaları arasındaki karar, ısı akısına ve ısı emici için mevcut alana dayanır. Isı kaynağı 30 W/cm²'den fazla ısı akısı üretiyorsa ve ısı emici boyutları muhafaza tarafından kısıtlanmışsa, bakır gereklidir çünkü 390 W/m·K iletkenliği ısıyı alüminyumun neredeyse iki katı hızla yanal olarak yayarak taban plakası boyunca sıcaklık gradyanını azaltır. Örneğin, 40 mm x 40 mm kalıp alanına sahip 200 W'lık bir IGBT modülü, bağlantı sıcaklığını 125°C'nin altında tutmak için bakır taban plakası gerektiren 125 W/cm² üretir; aynı koşullar altında alüminyum taban plakası 15-25°C daha sıcak olur. Bununla birlikte, ısı emici bol kanatçık yüzey alanına ve hava akışına sahipse, gömülü buhar odası veya ısı borularına sahip bir alüminyum taban plakası, %40-50 daha düşük maliyetle benzer performans elde edebilir. Bakır taban plakaları ayrıca daha yüksek bir termal genleşme katsayısına (alüminyum için 23 ppm/°C'ye karşı 17 ppm/°C) sahiptir; bu, seramik alt tabakalarla (6-8 ppm/°C) daha iyi eşleşir ve güç modüllerinde lehim bağlantı gerilimini azaltır. Yılda 10.000 adedin üzerindeki üretim hacimleri için, parça başına 8-10 $'lık malzeme maliyeti farkı önemli hale gelir, bu nedenle bakırı haklı çıkarmak için ayrıntılı bir termal simülasyon yapılmalıdır.

SSS

Düzlük ve yüzey pürüzlülüğü arasındaki fark nedir?

Düzlük, tüm yüzeyin mükemmel bir düzlemden genel dalgalılığının veya sapmasının bir ölçüsüdür ve tipik olarak toplam gösterge değerinin milimetresi cinsinden ifade edilir; yüzey pürüzlülüğü (Ra) ise yüzeydeki ince mikroskobik tepe ve vadileri ölçer. Bir yüzey çok pürüzlü ancak mükemmel düz veya çok pürüzsüz ancak eğri olabilir ve uygun termal temas için her iki parametre de bağımsız olarak kontrol edilmelidir.

Üretimde taban plakası düzlüğü nasıl ölçülür?

Düzlük, yüzeyi birden fazla noktada tarayan bir koordinat ölçüm makinesi (CMM) veya kadranlı gösterge ile granit bir yüzey plakası kullanılarak ölçülür; 100 mm karelik bir taban plakası için tipik olarak 9 ila 25 ölçüm noktası. Düzlük değeri, referans düzleme göre en yüksek ve en düşük noktalar arasındaki farktır ve alüminyum metre başına santigrat derece başına 0,023 mm genleştiğinden ölçümler 20°C'lik kontrollü bir sıcaklıkta yapılmalıdır.

Eğri bir taban plakası işleme sonrası düzeltilebilir mi?

Evet, eğri bir taban plakası bir pres veya merdane düzleştirici kullanılarak düzeltilebilir, ancak bu yalnızca alüminyum için ve yalnızca eğilme 0,2 mm'den azsa güvenilirdir. Düzeltme, termal çevrim sırasında taban plakasının yeniden eğrilmesine neden olabilecek yeni artık gerilimler ekler; bu nedenle

İlgili Makaleler

• Pil Paketleri için Isı Emiciler: Termal Kaçakları Önleyin
• Yüksek Parlaklıklı LED'ler için Isı Yönetimi ve Soğutucular
• Yeni enerji aracı IGBT ısı dağılımı, ısı emici güvenilirlik mühendisliği, ısı borusu ve sıcaklık plakası entegre ısı emici, yüzey işleme ve ısı radyasyonu geliştirme: anodik oksidasyon, siyah kaplama ve mikro-nano yapı, grafen / 3D baskı / akıllı termal yönetim: 2030 ısı emici teknolojisi yol haritası