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散熱第一步是導熱

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發(fā)表于 2024-8-5 15:57:43 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
關(guān)鍵詞: 散熱 , 導熱 , 導熱膠
本期給大家帶來(lái)的是關(guān)于導熱材料相關(guān)技術(shù)的研究?jì)热,希望對大家有幫助?/font>

隨著(zhù)電子產(chǎn)品,材料、結構、空間尺寸等限制,功率密度越來(lái)越大,對發(fā)熱元器件的散熱帶來(lái)了挑戰,所以有很多更高效的解決方案被挖掘,諸如熱管、VC、葉脈冷泵系統等,能更快的將系統整體發(fā)熱量帶到外部。

根據整個(gè)散熱系統路徑,可以看出,最底層也是最基礎的一環(huán),其實(shí)是在元器件的導熱部分,如果發(fā)熱元器件的發(fā)熱量不能有效的傳遞給散熱端,即使外部散熱能力再好,最終也會(huì )形成熱堆積,導致元器件過(guò)熱,影響其工作穩定性,甚至縮短使用壽命。

所以,解決整體系統熱管理問(wèn)題,除了要做整機熱設計,我們還需要做的是根據項目的實(shí)際情況,比如空間尺寸限制、元器件功耗、振動(dòng)、結構、電路設計、EMC等各維度的設計要求,來(lái)選擇合適的導熱方式,并進(jìn)行導熱材料的選型。

下面,以我之前做的一個(gè)新能源4KW非車(chē)載AC-DC充電機項目為例,給大家分析當時(shí)的熱設計策略與材料選型依據。


4KW非車(chē)載AC-DC結構外觀(guān)圖
需要仿真源文件、結構3D模型、仿真資料的自學(xué)研究的,可關(guān)注公眾號“萊歌數字”,發(fā)送“充電機”,獲取資料,配套仿真視頻教程見(jiàn)B站(萊歌數字)

項目背景

給某新能源廠(chǎng)設計的一款非車(chē)載ACDC充電機,效率92%左右,已量產(chǎn)。

下面就該項目的結構、熱管理、測試以及報告等多個(gè)方面,介紹完整的流程以及所使用的相關(guān)導熱材料等內容。


結構設計


結構設計外殼尺寸

內部布局圖
外殼采用SECC鈑金件加工,該設備在室內使用,使用環(huán)境沒(méi)有之前的3KW 車(chē)載充電機那么惡劣,防護等級IP33,進(jìn)出風(fēng)口有過(guò)濾棉,結合百葉窗的結構設計進(jìn)行防護,如下圖所示。


外殼結構設計


熱設計

關(guān)于整機系統初始散熱方式、風(fēng)量評估的過(guò)程,本篇就不再追溯,大家感興趣的可以看之前的文章。(關(guān)于電子產(chǎn)品中風(fēng)扇應用的基礎知識

本項目主要發(fā)熱部件有芯片、功率管(MOS)、變壓器、整流橋、PCB板等,清單如下,


部分損耗清單(需要的可以按文章方式進(jìn)行領(lǐng)。

由于空間尺寸限制,以及產(chǎn)品使用的環(huán)境條件等要求,我們選擇的導熱方式是在MOS管與散熱器直接加導熱硅脂、銅片。

剛性固體接觸面間會(huì )產(chǎn)生細小的縫隙?梢杂萌嵝缘慕橘|(zhì)填充這些縫隙,連接導熱路徑。這些柔性介質(zhì)就是導熱界面材料,包含導熱襯墊(thermal pad)、導熱硅脂(thermal grease)、導熱凝膠(thermal gel)等。

我們當時(shí)對比了市面上的幾種導熱硅脂,通過(guò)樣品申請測試對比,最終選定了合肥傲琪電子的產(chǎn)品。






導熱硅脂是一種傳統的導熱材料,使用在發(fā)熱部件與散熱片之間達到良好的導熱性穩定性,同時(shí)對銅、鋁散熱器表面具有一定的充分填充。非常適合于一般CPU、GPU及其它發(fā)熱功率器件的界面導熱。


合肥傲琪的導熱硅脂優(yōu)勢

n 硅脂由于粘度較低,能充分填充接觸表面從而使界面熱阻更低,所以能在最快的時(shí)間內將熱量傳遞到散熱裝置界面,傳熱效率高。

n 涂抹于功率器件和散熱器裝配面,幫助消除接觸面的空氣間隙增大熱量流通,減小接觸熱阻,降低功率器件的工作溫度,從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的使用壽命。

n 產(chǎn)品型號有多種規格可選擇導熱系數1.0~5.0W/m.K)。

n 性?xún)r(jià)比高(詢(xún)價(jià)、免費提供樣品申請:18656456291,微信同號)



合肥傲琪電子的導熱硅脂、導熱硅膠片還應用于對芯片、主板、功率管(MOS)、變壓器、模塊、PCB板、鋁基板、南橋、北橋、CPU、GPU、處理器、單片機等發(fā)熱元器件的導熱、散熱解決方案。

涉及領(lǐng)域包含智能手機、便捷電子設備、充電器、網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機、機頂盒、投影儀、電腦、筆記本、平板、LED照明、新能源汽車(chē)、無(wú)人機、電源、行車(chē)記錄儀、航空航天、醫療設備、安防監控、5G基站、智能電視、雷達、軍工電源、智能裝備等通電、帶電設備。


導熱硅脂使用還需要注意熱源面與散熱端的安裝方式、鎖附機構等結構設計,

在此項目中,MOS管金屬面涂抹導熱硅脂,與散熱器接觸,用螺絲鎖附,如下圖所示,

MOS管鎖附在散熱器側面

需保證平行度、接觸面平面度等,最直接的檢測方法,可參考下面文章。熱潤滑脂長(cháng)期使用的可靠性分析
導熱硅脂熱涌出和干化情況

導熱界面材料所受的壓力越大,材料的熱阻越低,導熱效果越好。但芯片的應力承受范圍有限,過(guò)大應力會(huì )導致芯片壓壞。芯片如果允許,盡可能采用大應力。

G-500、G-300的導熱硅脂經(jīng)過(guò)筆記本CPU實(shí)測的前后效果對比,如下圖所示,

從圖上前后對比可以看出,其導熱硅脂在CPU與冷端面之間接觸、導熱的效果很好,究其原因,我們可以通過(guò)這兩款導熱硅脂的可靠性測試數據,如下圖所示,

可以看出,G-300/G-500的最小界面厚度可達到7μm、25μm,熱阻低至0.016和0.009。
另外,導熱界面材料所受的壓力越大,材料的熱阻越低,導熱效果越好。但芯片的應力承受范圍有限,過(guò)大應力會(huì )導致芯片壓壞。芯片如果允許,盡可能采用大應力。

熱阻-壓力曲線(xiàn)
芯片特別不耐壓時(shí),考慮更軟的材料,避免由于壓力過(guò)小導致界面間縫隙填充不嚴密。

之前的文章給大家分享過(guò)一些關(guān)于新能源車(chē)載3KWAC-DC充電機的內容(新能源車(chē)載系統模塊結構與熱設計(IP67可靠性改良方法)

里面有就用到導熱硅膠片,如下圖所示,

導熱硅膠片應用圖
我們來(lái)說(shuō)說(shuō)采用此導熱方式的原因。

此產(chǎn)品是車(chē)載、而且整機空間尺寸受限,功率密度比較適中,采用自然冷卻散熱的方式,MOS管外殼與PCB接觸,金屬面面向散熱器。

這樣設計的目的是減少路徑上的熱阻,盡可能發(fā)揮散熱器的性能。

那么勢必帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題:

n 絕緣要求,需要解決hipot、EMC等的問(wèn)題。
n 接觸良性,對導熱影響

導熱硅膠片/導熱墊(無(wú)硅油)可以完美解決這些問(wèn)題。

導熱硅膠片一款超柔軟(類(lèi)似餃子皮)的高導熱性能的材料(導熱系數1.5~18W/m.K),在低壓力的情況下表現出較小的熱阻和很高的形變量(壓縮比15~30%),擁有非常好的填縫性能,推薦使用在公差比較大的平面。另外具有雙面低粘性,不需要額外的阻礙導熱的粘膠涂層亦可背膠處理,強粘性粘接。

通過(guò)多方調研與樣品申請測試試用后,最終選定合肥傲琪的導熱硅膠片。


優(yōu)勢在于,

1. 性能
n 與電子組件裝配使用時(shí),低壓縮力下表現出較低的熱阻和較好的電氣絕緣特性,擊穿電壓(>3kv/mm)。在-40℃~200℃可以穩定工作,滿(mǎn)足UL94V0的阻燃等級要求。
n 厚度選擇(0.3/0.5mm、1.0mm0.5mm遞增至12mm,適合不同發(fā)熱元器件與外殼間隙填充。
n 無(wú)硅油款適合對硅油敏感的電子產(chǎn)品(帶有攝像頭解決霧化現象)。
n 導熱墊能夠填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位的熱傳遞,增加導熱面積,同時(shí)還起到減震、絕緣、密封等作用,能夠滿(mǎn)足設備小型化、超薄化的設計要求,是極具工藝性和使用性的新材料。


2. 定制化服務(wù)
特殊厚度可以按照要求定制,標準長(cháng)寬400*200mm,按照需求尺寸定制特殊形狀CAD圖紙刀模模切加工)。

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測試驗證

接下來(lái)我們看看基于Flotherm軟件模擬,與實(shí)驗測試的結果情況。

仿真模擬元器件偵測位置

仿真模擬元器件偵測溫度

仿真流場(chǎng)云圖
可以看出,仿真的各元器件結果基本滿(mǎn)足設計要求,兩個(gè)電感溫度有些超標,分析原因,可能是風(fēng)道設計問(wèn)題,到兩個(gè)電感區域的有效風(fēng)較少,沒(méi)有及時(shí)將熱量帶走導致。

后續的版本我們做了一些優(yōu)化,篇幅受限,這里就不做詳細介紹,感興趣的可以下載模型后自行研究。

在仿真后期,打樣組裝成品之后,我們對實(shí)物做了溫升測試,測試數據如下表所示,


試驗測試數據

可以看出,此版本的仿真、實(shí)測的結果都反饋出少數部分元器件溫升有問(wèn)題,這也給我們整機熱管理改善、結構設計優(yōu)化提供了方向指引。

無(wú)論結果如何,我們都需要將獲取的原始數據,整理成易懂的報告,以圖片、表格等形式進(jìn)行匯報,方便項目干系人及時(shí)、明確的知曉項目進(jìn)展、潛在的風(fēng)險等。



熱設計報告

優(yōu)秀的工程師,除了技術(shù)過(guò)硬,向上匯報的能力也必須具備,這是軟實(shí)力的體現,下面是該項目的報告內容,截取部分,大家感興趣可查閱之前的文章(如何向上匯報:專(zhuān)業(yè)的熱設計報告)。


注意事項

n 若某堆發(fā)熱元器件在一起,導熱硅脂與導熱硅膠片一起使用的情況,需要將散熱器分開(kāi)設計,避免因導熱硅膠片壓縮率、結構面平整度、安裝與設計公差等因素,致使導熱硅脂接觸不良,從而影響發(fā)熱源散熱。
n 任何項目都不是一蹴而就的,在理論計算、仿真、測試等結果基礎上進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化設計,最終結合成本、空間尺寸、供應鏈、工藝等因素,形成項目的最終設計方案。

至此,一個(gè)完整的項目,從結構設計、熱設計到測試,總結匯報完整的研發(fā)過(guò)程就介紹完畢,如果大家一些心得體會(huì ),歡迎在評論區或私信我交流。

如果想申請導熱硅脂、導熱硅膠片的樣品試用,或咨詢(xún)價(jià)格,歡迎聯(lián)系

張先生:18656456291,微信同號






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板凳
發(fā)表于 2024-8-20 10:42:12 | 只看該作者
謝謝謝謝,學(xué)到不少
地板
 樓主| 發(fā)表于 2024-8-26 10:49:14 | 只看該作者
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地下室
 樓主| 發(fā)表于 2024-12-26 09:46:40 | 只看該作者
需要導熱硅脂、導熱硅膠片等導熱材料聯(lián)系我,專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家生產(chǎn),免費寄樣。合肥傲琪電子,張先生:18656456291,微信同號
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