До питання про теплоотводе з силових елементів
За матеріалами зарубіжних джерел
Передмова.
Метою цієї статті є надання Новомосковсктелю можливості:
а) застосовувати оптимальний крутний момент при кріпленні силових елементів, що знаходяться в корпусах TO-220 і TO-247, до радіатора за допомогою гвинтів, і при цьому мати оптимальне значення теплового опору "кристал-корпус" силового елемента (Rth (jc)) без механічного пошкодження його корпусу.
б) зрозуміти вплив різних ізоляційних матеріалів, що мають різні коефіцієнти жорсткості, на теплове опір Rth (j-c) контакту силового елемента з радіатором при різних крутних моментах кріплення цього пристрою.
Параметри неплощинності корпусів TO-220 і TO-247
Силові елементи в корпусах TO-220 і TO-247 були досліджені за допомогою оптичного сканера на предмет площинності. Лазер був використаний для сканування задньої поверхні корпусу, і за результатами сканування були побудована контурна карта поверхні. (Рис.2) Далі, площинність поверхні була оцінена по осьовим лініям в середині корпусу. Було встановлено, що значення викривлення на обох корпусах були в межах норми. (Рис.3, 4а, 4б)
Вимірювання показали, що викривлення корпусів T0-220 і T0-247 склало менше 20 мкм, що істотно менше значення, зазначеного в документації на влаштування (100 мкм).
Причини використання двох типів ізоляційної прокладки з різними коефіцієнтами твердості
Існують два типи ізоляційних теплопровідних прокладок: м'які, з малим коефіцієнтом твердості, і жорсткі, з великим коефіцієнтом жорсткості. Типовими представниками м'яких і жорстких прокладок є, відповідно, силіконові і слюдяні прокладки. Силіконова прокладка вибирає зазори, що утворюються через неплощинності корпусу силового елемента і нерівностей радіатора, і не вимагає застосування спеціальних теплопровідних паст.
У той же час, м'яка ізоляційна прокладка може залишити зазор між задньою поверхнею пристрою і радіатором, якщо докласти дуже багато сили до гвинта кріплення силового пристрою. Навпаки, при більш твердої ізоляційної прокладки напруга, що виходить від нарізного отвору, розподіляється більш рівномірно, і тому зазор між задньою поверхнею пристрою і радіатором буде відсутній. Це добре продемонстровано на малюнку 5.
Вплив моменту затягування гвинта при монтажі силового елемента.
Процес установки силових елементів на радіатор повинен бути оптимізований так, щоб мінімізувати деформацію їх корпусів. Необхідно ретельно контролюватися контакт між корпусом силового пристрою, ізоляційної прокладкою і радіатором, щоб він був рівномірним і надійним, а поверхні силового пристрою і радіатора були якомога ближче.
Відведення тепла через силіконову прокладку є більш ефективним, ніж відведення тепла через повітряний зазор. Теоретично, чим більше момент затяжки кріпильного гвинта, тим сильніше стиснення прокладки, тим менше теплове опір контакту між силовим елементом і радіатором, тим надійніше відвід тепла від силового елемента. Однак на практиці існує оптимальне значення моменту затягування кріплення гвинта. Це відбувається з наступних причин:
Якщо момент затяжки монтажного гвинта виявився занадто низьким, тепловий опір контакту зростає через поганий теплового контакту, викликаного недоліком контактного тиску.
Якщо момент затяжки монтажного гвинта буде занадто високий, то головна частина корпусу силового елемента і монтажна вкладка будуть деформуватися настільки, що корпус може відходити від радіатора, як показано на малюнку 6. Це також збільшує тепловий опір контакту.
Отже, при кріпленні силового елемента повинен бути обраний відповідний момент затяжки гвинта, що забезпечує мінімальний тепловий опір контакту і дозволяє уникнути пошкодження корпусу або зміна характеристик силового елемента.
Деякі рекомендації по використанню гвинтів при кріпленні на радіатор силових елементів.
Кріплення гвинтом - це традиційний метод монтажу, при цьому використовуються гвинт разом з гайкою і шайбою.
При використанні монтажних гвинтів слід дотримуватися наступних рекомендацій.
Саморізи не повинні використовуватися при кріпленні корпусів до радіатора.
Жорстка шайба повинні бути вставлена між головкою гвинта і пелюсткою для кріплення. Необхідно дотримуватися обережності, і переконатися, що шайба не може пошкодити пластикове тіло корпусу під час процесу установки. Гвинт повинен бути надійно затягнутий, щоб корпус мав хороший контакт з радіатором.
Найкраще використовувати спеціалізований електричний шуруповерт, в якому з достатньою точністю контролюється момент затяжки гвинта. Такі шурупокрути забезпечують високу повторюваність і точність крутного моменту, а також мають регулювання швидкості, що дає можливість вибору оптимальної швидкості затягування гвинта. На рис. 7 показаний правильний метод монтажу корпусів TO-220 і TO-220FP.
Вплив деформованої поверхні радіатора на монтаж елементів.
Якщо поверхня радіатора при монтажі не плоска, існує ризик того, що в силовому елементі можуть утворитися тріщини.
Коли силовий елемент монтується на радіатор з нерівною поверхнею, в області тіла елемента, розташованої поруч з різьбою, будуть спостерігатися високі механічні навантаження, які можуть призвести до пошкодження силового елемента.
Якщо пристрій монтується на радіатор з нерівною поверхнею, виникають високі механічні навантаження на область з'єднання захисного компаунда з підкладкою корпусу силового пристрою. В цьому випадку захисний компаунд корпусу може відшаруватися з боку нарізного отвору через високий механічної напруги.
Приклади неправильного монтажу і його наслідки
CSAM - Топограма (С-Сканування Акустичною мікроскопом) Відшаровування компаунда в районі кристала мікросхеми та його підкладки в голові корпусу внаслідок зовнішнього механічного напруги в результаті занадто сильного затягування монтажного гвинта.
Вертикальне перетин підкладки кристала, на якій видно тріщини, викликані зовнішніх механічних впливів через занадто сильного затягування гвинта.
Вм'ятина на поверхні корпусу через перетяжки гвинта.
Через високий моменту затягування монтажного гвинта і, відповідно, притиснення ребра тепловідведення транзистора можна продавити тонку ізоляційну прокладку, і таким чином, викликати коротке замикання між теплоотводом транзистора і радіатором.
Аналіз відмов показав, що гострий кут тепловідведення транзистора продавив ізоляційну прокладку через високий моменту затягування монтажного гвинта, і це спричинило коротке замикання між радіатором і теплоотводом пристрою. Стрілка на малюнку справа показує отвір електричного пробою на ізоляційної прокладки в результаті занадто високого моменту затягування монтажного гвинта.
Вивчення впливу моменту затягування монтажного гвинта на тепловий опір Rth (j-c).
Метою цього дослідження була оцінка впливу моменту затягування гвинта при монтажі силових елементів на поверхню радіатора. Дослідженню піддалися популярні силові елементи (IGBT - транзистори) виробництва Infineon з чіпами різних розмірів (малих, середніх і великих), з різною товщиною тепловідведення і розмірами корпусів (TO-220, TO-247, і TO-280). Це дослідження охоплювало корпусу не тільки з одним кристалом, а й зі здвоєним чіпом.
Нижче наведено перелік і параметри силових елементів, які зазнали випробувань.
Був застосований сухий метод монтажу (без термопасти) для вивчення впливу різних ізоляційних плівок на тепловий опір Rth (j-c) силових елементів при різних моментах затягування гвинтів. Корпус силового елемента був спочатку встановлений відповідно до малюнка 7. Потім тепловий опір Rth (j-c) було виміряно для моментів затягування монтажного гвинта від 0.4 Нм до 1.2 Нм.
Малюнок 13. Залежність Rth (j-c) від моменту затягування для ізоляційної прокладки Keratherm86 / 82 з коефіцієнтом твердості 60 - 70 по Шору А
Графіки, наведені вище, показали, що силові елементи в різних корпусах, при використанні Keratherm86 / 82 не мали ніяких істотних змін в тепловому опорі Rth (j-c) для моментів затягування гвинта в діапазоні від 0,6 до 1,0 Нм. Тому був рекомендований типовий момент затяжки гвинта значенням 0.8Нм.
Малюнок 14. Залежність Rth (j-c) від моменту затягування для ізоляційної прокладки Keratherm70 / 50 з коефіцієнтом твердості 80 - 90 по Шору А
Графіки, наведені вище, показали, що силові елементи в різних корпусах, при використанні Keratherm70 / 50 не мали ніяких істотних змін в тепловому опорі Rth (j-c) для моментів затягування гвинта в діапазоні від 0,6 до 1,0 Нм. Тому був рекомендований типовий момент затяжки гвинта значенням 0.8Нм.
Дослідження показали, що товщина ізоляційної прокладки може стати тонше після застосування гвинта, але не було ніяких істотних відмінностей в тепловому опорі Rth (j-c) при затягуванні гвинта з моментом від 0,6 до 1 Нм.
висновок
Це дослідження показало, що немає суттєвої різниці в тепловому опорі Rth (j-c) для всіх пристроїв, коли момент затяжки гвинта змінювався від 0,6 до 1 Нм для двох типів ізоляційних прокладок зі стандартною твердістю. Було рекомендовано для досягнення оптимального теплового контакту і захисту від механічних пошкоджень корпусів силових елементів типове значення 0.8 Нм.
Примітка:
Keratherm ® - Група високоеластичних, наповнених керамікою плівок. Вони характеризуються своєю виключно хорошою сжимаемостью, своєї оптимальної пластичністю, гарну теплопровідність і хорошими електричними властивостями. Ці плівки спеціально призначені для компенсації різниці в площинності компонентів.
Ізоляційні плівки KERATHERM ® в основному стійкі до впливу води, масла та інших сумішей, органічних розчинників і хлорованих вуглеводнів, а також очищають продукції, яку використовують для знежирення і миття теплоотводов, корпусів і друкованих плат. Єдино, що ці матеріали викликають здуття відкритих крайок теплопроводящей плівки, при цьому ступінь здуття залежить від періоду контакту і типу застосовуваного розчинника.
Після висихання відкриті кромки повертаються до свого початкового стану без зміни теплових або електричних властивостей. Завдяки тому, що використовуються короткі періоди контакту, KERATHERM ® може піддаватися обробці в звичайних ваннах, використовуваних в процесах пайки.
Характеристики плівок Keratherm ®
70/50
зі скло-
волокном
Новини лабораторії
Наявність на складі
Блок живлення ГОРН-К-15В / 50А-Р з реверсом. Виконання IP20.
Ціна 36500 руб. Кількість - 1 шт.