本期给大家带来的是关于导热材料相关技术的研究内容,希望对大家有帮助。
随着电子产品,材料、结构、空间尺寸等限制,功率密度越来越大,对发热元器件的散热带来了挑战,所以有很多更高效的解决方案被挖掘,诸如热管、VC、叶脉冷泵系统等,能更快的将系统整体发热量带到外部。
根据整个散热系统路径,可以看出,最底层也是最基础的一环,其实是在元器件的导热部分,如果发热元器件的发热量不能有效的传递给散热端,即使外部散热能力再好,最终也会形成热堆积,导致元器件过热,影响其工作稳定性,甚至缩短使用寿命。
所以,解决整体系统热管理问题,除了要做整机热设计,我们还需要做的是根据项目的实际情况,比如空间尺寸限制、元器件功耗、振动、结构、电路设计、EMC等各维度的设计要求,来选择合适的导热方式,并进行导热材料的选型。
下面,以我之前做的一个新能源4KW非车载AC-DC充电机项目为例,给大家分析当时的热设计策略与材料选型依据。
4KW非车载AC-DC结构外观图
项目背景
给某新能源厂设计的一款非车载ACDC充电机,效率92%左右,已量产。
下面就该项目的结构、热管理、测试以及报告等多个方面,介绍完整的流程以及所使用的相关导热材料等内容。
结构设计
结构设计外壳尺寸
内部布局图
外壳采用SECC钣金件加工,该设备在室内使用,使用环境没有之前的3KW 车载充电机那么恶劣,防护等级IP33,进出风口有过滤棉,结合百叶窗的结构设计进行防护,如下图所示。
外壳结构设计
热设计
关于整机系统初始散热方式、风量评估的过程,本篇就不再追溯,大家感兴趣的可以看之前的文章。(关于电子产品中风扇应用的基础知识)
本项目主要发热部件有芯片、功率管(MOS)、变压器、整流桥、PCB板等,清单如下,
部分损耗清单(需要的可以按文章方式进行领取)
由于空间尺寸限制,以及产品使用的环境条件等要求,我们选择的导热方式是在MOS管与散热器直接加导热硅脂、铜片。
刚性固体接触面间会产生细小的缝隙。可以用柔性的介质填充这些缝隙,连接导热路径。这些柔性介质就是导热界面材料,包含导热衬垫(thermal pad)、导热硅脂(thermal grease)、导热凝胶(thermal gel)等。
我们当时对比了市面上的几种导热硅脂,通过样品申请测试对比,最终选定了合肥傲琪电子的产品。
导热硅脂是一种传统的导热材料,使用在发热部件与散热片之间达到良好的导热性和稳定性,同时对铜、铝散热器表面具有一定的充分填充。非常适合于一般CPU、GPU及其它发热功率器件的界面导热。
合肥傲琪的导热硅脂优势
n 硅脂由于粘度较低,能充分填充接触表面从而使界面热阻更低,所以能在最快的时间内将热量传递到散热装置界面,传热效率高。
n 涂抹于功率器件和散热器装配面,帮助消除接触面的空气间隙增大热量流通,减小接触热阻,降低功率器件的工作温度,从而进一步提高产品的使用寿命。
n 产品型号有多种规格可选择(导热系数1.0~5.0W/m.K)。
合肥傲琪电子的导热硅脂、导热硅胶片还应用于对芯片、主板、功率管(MOS)、变压器、模块、PCB板、铝基板、南桥、北桥、CPU、GPU、处理器、单片机等发热元器件的导热、散热解决方案。
涉及领域包含智能手机、便捷电子设备、充电器、网关、路由器、交换机、机顶盒、投影仪、电脑、笔记本、平板、LED照明、新能源汽车、无人机、电源、行车记录仪、航空航天、医疗设备、安防监控、5G基站、智能电视、雷达、军工电源、智能装备等通电、带电设备。
导热硅脂使用还需要注意热源面与散热端的安装方式、锁附机构等结构设计,
在此项目中,MOS管金属面涂抹导热硅脂,与散热器接触,用螺丝锁附,如下图所示,
MOS管锁附在散热器侧面
需保证平行度、接触面平面度等,最直接的检测方法,可参考下面文章。(热润滑脂长期使用的可靠性分析)
导热硅脂热涌出和干化情况
导热界面材料所受的压力越大,材料的热阻越低,导热效果越好。但芯片的应力承受范围有限,过大应力会导致芯片压坏。芯片如果允许,尽可能采用大应力。
G-500、G-300的导热硅脂经过笔记本CPU实测的前后效果对比,如下图所示,
从图上前后对比可以看出,其导热硅脂在CPU与冷端面之间接触、导热的效果很好,究其原因,我们可以通过这两款导热硅脂的可靠性测试数据,如下图所示,
可以看出,G-300/G-500的最小界面厚度可达到7μm、25μm,热阻低至0.016和0.009。
另外,导热界面材料所受的压力越大,材料的热阻越低,导热效果越好。但芯片的应力承受范围有限,过大应力会导致芯片压坏。芯片如果允许,尽可能采用大应力。
热阻-压力曲线
芯片特别不耐压时,考虑更软的材料,避免由于压力过小导致界面间缝隙填充不严密。
之前的文章给大家分享过一些关于新能源车载3KW的AC-DC充电机的内容(新能源车载系统模块结构与热设计(IP67可靠性改良方法))
里面有就用到导热硅胶片,如下图所示,
导热硅胶片应用图
我们来说说采用此导热方式的原因。
此产品是车载、而且整机空间尺寸受限,功率密度比较适中,采用自然冷却散热的方式,MOS管外壳与PCB接触,金属面面向散热器。
这样设计的目的是减少路径上的热阻,尽可能发挥散热器的性能。
那么势必带来两个问题:
n 绝缘要求,需要解决hipot、EMC等的问题。
n 接触良性,对导热影响
导热硅胶片/导热垫(无硅油)可以完美解决这些问题。
导热硅胶片一款超柔软(类似饺子皮)的高导热性能的材料(导热系数1.5~18W/m.K),在低压力的情况下表现出较小的热阻和很高的形变量(压缩比15~30%),拥有非常好的填缝性能,推荐使用在公差比较大的平面。另外具有双面低粘性,不需要额外的阻碍导热的粘胶涂层亦可背胶处理,强粘性粘接。
通过多方调研与样品申请测试试用后,最终选定合肥傲琪的导热硅胶片。
其优势在于,
1. 性能
n 与电子组件装配使用时,低压缩力下表现出较低的热阻和较好的电气绝缘特性,击穿电压(>3kv/mm)。在-40℃~200℃可以稳定工作,满足UL94V0的阻燃等级要求。
n 厚度选择(0.3/0.5mm、1.0mm每0.5mm递增至12mm,适合不同发热元器件与外壳间隙填充。
n 无硅油款适合对硅油敏感的电子产品(带有摄像头解决雾化现象)。
n 导热垫能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位的热传递,增加导热面积,同时还起到减震、绝缘、密封等作用,能够满足设备小型化、超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性的新材料。
2. 定制化服务
特殊厚度可以按照要求定制,标准长宽400*200mm,按照需求尺寸定制特殊形状CAD图纸刀模模切加工)。
测试验证
接下来我们看看基于Flotherm软件模拟,与实验测试的结果情况。
仿真模拟元器件侦测位置
仿真模拟元器件侦测温度
仿真流场云图
可以看出,仿真的各元器件结果基本满足设计要求,两个电感温度有些超标,分析原因,可能是风道设计问题,到两个电感区域的有效风较少,没有及时将热量带走导致。
后续的版本我们做了一些优化,篇幅受限,这里就不做详细介绍,感兴趣的可以下载模型后自行研究。
在仿真后期,打样组装成品之后,我们对实物做了温升测试,测试数据如下表所示,
试验测试数据
可以看出,此版本的仿真、实测的结果都反馈出少数部分元器件温升有问题,这也给我们整机热管理改善、结构设计优化提供了方向指引。
无论结果如何,我们都需要将获取的原始数据,整理成易懂的报告,以图片、表格等形式进行汇报,方便项目干系人及时、明确的知晓项目进展、潜在的风险等。
热设计报告
优秀的工程师,除了技术过硬,向上汇报的能力也必须具备,这是软实力的体现,下面是该项目的报告内容,截取部分,大家感兴趣可查阅之前的文章(如何向上汇报:专业的热设计报告)。
注意事项
n 若某堆发热元器件在一起,导热硅脂与导热硅胶片一起使用的情况,需要将散热器分开设计,避免因导热硅胶片压缩率、结构面平整度、安装与设计公差等因素,致使导热硅脂接触不良,从而影响发热源散热。
n 任何项目都不是一蹴而就的,在理论计算、仿真、测试等结果基础上进行不断迭代优化设计,最终结合成本、空间尺寸、供应链、工艺等因素,形成项目的最终设计方案。
至此,一个完整的项目,从结构设计、热设计到测试,总结汇报完整的研发过程就介绍完毕,如果大家一些心得体会,欢迎在评论区或私信我交流。