Kísilgúmmíhitari sem er vúlkanaður eða límtengdur við flata álplötu er í miklu nánari hitasnertingu en sá sem er einfaldlega klemmdur. Þessi þétta tenging dregur hita frá sílikoninu á skilvirkari hátt, sem gerir aðeins árásargjarnari aflþéttleika kleift. En hitinn kemur samt frá viðkvæmri fjölliðu og eigin innri hitastig hennar má aldrei rjúfa. Að velja réttaWatt þéttleiki sílikon gúmmí hitari álplatasamsetningar krefjast skýrs skilnings á hitaleiðinni, kostum tengisins og grundvallartakmörkunum á sílikonefninu sjálfu.
Að skilja wattaþéttleika og afleiðingar þess
Wattþéttleiki (mældur í W/cm² eða W/in²) er magn hitauppstreymis sem myndast á hverja flatarmálseiningu á yfirborði hitarisins. Fyrir tiltekið heildarafl, vinnur minni hitari við hærri wattaþéttleika, en stærri, útbreiddur hitari starfar við lægri wattaþéttleika. Wattþéttleikinn ákvarðar beint innra hitastig mótstöðuvírsins og aðliggjandi kísillgúmmí.
Ef wattaþéttleikinn er of hár fer kísillinn við hlið vírsins yfir stöðugt þjónustuhitastig, sem leiðir til:
Hröðun varma öldrun– Fjölliðan verður stökk og missir mýkt.
Minni raforkustyrkur– Hætta á rafmagnsbilun.
Skuldabréfabilun– Límið eða vúlkanað tengið við álið getur brotnað niður.
Reykingar eða brennandi– Við mikla ofhleðslu getur sílikon brotnað niður.
Þess vegna verður val á vattaþéttleika alltaf að halda heitasta punktinum innan sílikonsins undir öruggum rekstrarmörkum efnisins.
The Bonded Interface: Thermal hraðbraut
Hægt er að festa sílikon gúmmíhitara við álplötu á nokkra vegu. Tvær algengustu aðferðirnar eru:
Klemt (eða þrýstisnerting)– Hitaranum er þrýst að plötunni með klemmum, gormum eða vélrænni ramma. Nota má hitauppstreymi eða þunnan púða til að fylla í lofteyður.
Tengt– Hitarinn er vúlkanaður beint við álið meðan á framleiðslu stendur eða háhitalím (td sílikon eða epoxý) er notað til að festa hitara varanlega.
Tengt viðmótið hefur verulega lægra hitauppstreymi en klemmt viðmót vegna þess að:
Engin loftgap– Smásæir loftvasar (sem virka sem einangrunarefni) eru eytt.
Samfelld efnisleið– Hiti streymir frá ytra lagi hitara inn í límið og síðan inn í álið án truflana.
Lægri snertiviðnám – The thermal resistance of a bonded interface can be as low as 0.1–0.3 K·cm²/W, whereas a clamped interface with thermal grease might be 0.5–1.0 K·cm²/W, and a dry clamped interface can be >2 K·cm²/W.
Þessi lægri hitaviðnám þýðir að fyrir sama wattaþéttleika er hitastig kísilsins við vírinn lægra þegar það er tengt. Aftur á móti, fyrir sama hámarks leyfilega vírhitastig, er hægt að nota tengdan hitara á aaðeins meiri wattaþéttleikien klemmdur hitari.
Útreikningur á innra hitastigi sílikonsins
Hitastig kísilsins við hlið viðnámsvírsins (T_wire) er ákvarðað af:
T_vír=T_plata + ΔT_silikon + ΔT_bond
Hvar:
T_plata– Mælt eða stjórnað hitastig yfirborðs álplötunnar (td 150 gráður).
ΔT_kísill– Hitastigið hækkar í gegnum þykkt kísillgúmmílagsins milli vírsins og ytra yfirborðs hitarans. Þetta er reiknað sem:
ΔT_kísill=(wattþéttleiki × þykkt) / k_kísill
þar sem k_silikon ≈ 0,2–0,25 W/m·K, þykkt venjulega 1–2 mm.
ΔT_binding– Hitastigið yfir lím- eða bindilínuna. Fyrir hágæða skuldabréf er þetta lítið (nokkrar gráður).
Dæmi um tengdan hitara:
Wattþéttleiki=1.2 W/cm²=12.000 W/m²
Kísillþykkt=1.5 mm=0.0015 m
k_kísill=0.22 W/m·K
ΔT_kísill=(12.000 × 0,0015) / 0,22 ≈ 82 K
ΔT_tengi ≈ 5 K
T_platen=150 gráðu
T_wire=150 + 82 + 5=237 gráðu
Ef samfelld einkunn kísilsins er 200 gráður, þá væri wattaþéttleiki 1,2 W/cm² of mikill fyrir þennan plötuhita. Draga verður úr vattaþéttleikanum eða lækka stillistig plötunnar eða nota þykkari eða leiðandi sílikon.
Ráðlagður Watt þéttleiki svið fyrir tengt sílikon hitara á áli
Öruggur wattaþéttleiki fer eftir nokkrum þáttum: vinnsluhitastigi plötunnar, kísillþykkt og einkunn, gæðum tengingarinnar og hvort hitari er hjólaður eða keyrður stöðugt. Eftirfarandi tafla gefur almennar leiðbeiningar um samfelldan rekstur:
| Setpunktshitastig plötunnar | Hámarks ráðlagður wattaþéttleiki (tengdur) | Ráðlagður hámarkswattaþéttleiki (klemmdur, með fitu) |
|---|---|---|
| 50 gráður | 2,0–2,5 W/cm² | 1,5–2,0 W/cm² |
| 100 gráður | 1,3–1,8 W/cm² | 0,9–1,3 W/cm² |
| 150 gráður | 0,8–1,2 W/cm² | 0,5–0,8 W/cm² |
| 200 gráður | 0,3–0,6 W/cm² | Ekki mælt með því (klemmdir hitari takmarkaðir venjulega við 150 gráðu plötu) |
Þessi gildi gera ráð fyrir venjulegu kísillgúmmíi með samfelldum mörkum upp á 200 gráður og tengilínu með lágt hitauppstreymi. Fyrir sérstaklega samsett háhita sílikon (metið til 250 gráður) er hægt að auka wattaþéttleikann um það bil 20–30% við hvert hitastig plötunnar.
Tengingin er hitauppstreymi hraðbraut sem lætur hitann sleppa hraðar og gefur sílikoninu kaldara endingu. Hins vegar, jafnvel með framúrskarandi tengingu, verður að minnka wattaþéttleikann þar sem stillipunktur plötunnar eykst vegna þess að tiltækt hitastig (200 gráður – T_platen) minnkar.
Mikilvægi samræmdu hitastigs plötunnar og dreifingar vöttsþéttleika
Þegar kísillhitari er stærðaður fyrir álplötu, ætti wattaþéttleikinn að vera eins jöfn og mögulegt er yfir hitarasvæðið. Heitir blettir geta komið fram vegna:
Ójafn snertiþrýstingur (minna á við um tengda hitara).
Breytingar á bili hitaeininga (td þéttara vírmynstur á brúnum til að vega upp á móti hærra hitatapi).
Staðbundin kæling frá festingarfestingum eða loftdrætti.
Endanlegt frumefnisgreining (FEA) er oft notuð til að hanna hitaramynstrið þannig að wattaþéttleiki er aðeins hærri nálægt brúnum og lægri í miðjunni, til að ná samræmdu plötuhitastigi. Fyrir tengda hitara gerir náin snertingin nákvæmari stjórn vegna þess að það eru engin lofteyður sem valda staðbundnum heitum svæðum.
Staðfesta hönnunina með innbyggðum hitaeiningum
Vegna þess að ekki er hægt að mæla innri vírhitastig beint í fullunnum kísillhitara, er staðfesting framkvæmd með því að nota eitt eða fleiri hitaeiningar sem eru felldar inn í tengilínuna eða á yfirborði plötunnar. Algeng venja er:
Settu þunnan, tengdan hitara á álplötuna.
Boraðu lítil göt frá bakhlið plötunnar að innan við 0,5 mm frá framhliðinni og settu fínvíra hitaeining í.
Að öðrum kosti er hægt að setja hitatengi á yfirborð plötunnar undir hitaranum með því að nota hitaleiðandi lím.
Notaðu hitarann við æskilegan wattaþéttleika og mældu stöðugt hitastigsmun milli yfirborðs plötunnar og bakhliðar hitarans.
Reiknaðu áætlaða innri vírhitastig með því að nota þekkt hitauppstreymi kísilsins.
Ef reiknaður hitastig vírsins nálgast 200 gráður ætti að minnka wattaþéttleikann eða tilgreina stærri hitara (lægri wattaþéttleika).
Sérstök athugun: Háhita sílikon einkunnir
Venjulegt kísillgúmmí (td vinyl-metýl kísill) hefur stöðugt þjónustuhitastig sem er um það bil 200 gráður. Fyrir notkun þar sem stillipunktur plötunnar fer yfir 180 gráður eða þar sem krafist er mikils wattaþéttleika,háhita sílikon(td fenýl-metýl sílikon eða flúorsílikon) er hægt að nota. Þessar einkunnir eru metnar til 250 gráðu samfellda, með stuttum skoðunarferðum í 300 gráður. Hitaleiðni er svipuð og venjulegt kísill, þannig að sömu ΔT_sílikon útreikningar eiga við, en hámarks leyfilegt T_vír er hærra. Þetta gerir tengt hitari með háhita sílikoni kleift að ná wöttþéttleika upp á 1,5–2,0 W/cm² jafnvel við 150 gráðu hitastig á plötunni.
Hins vegar er háhita sílikon dýrara og getur haft mismunandi bindingarkröfur. Lím- eða vökvunarferlið verður að vera samhæft við fjölliðuna með hærra hitastig.
Samantekt á valskrefum
| Skref | Aðgerð |
|---|---|
| 1 | Ákvarða þarf vinnuhitastig plötunnar (T_platen) og æskilegan upphitunartíma. |
| 2 | Áætla þarf hitaraafl út frá massa plötunnar, hitauppstreymi og upphitunartíma. |
| 3 | Reiknaðu nauðsynlegt hitaraflatarmál með því að deila heildaraflinu með umbjóðandi wattaþéttleika frá ráðlögðu bili fyrir tengda hitara (sjá töflu). |
| 4 | Gakktu úr skugga um að vatnsþéttleiki sem myndast valdi því að innri vírhitastig fer ekki yfir mörk sílikonsins með því að nota jöfnuna: T_wire=T_platen + (wattþéttleiki × þykkt / k). |
| 5 | If T_wire > 200°C (or >250 gráður fyrir háhita sílikon), annaðhvort aukið hitarasvæðið (lægri wattþéttleiki), minnkað stillistig plötunnar eða veldu háhita sílikonflokk. |
| 6 | Hafðu samband við hitaraframleiðandann til að fá staðfestingu á gæðum skuldbindinga og íhugaðu að fella inn hitaeiningar til að sannprófa hönnun. |
Niðurstaða
Að velja wattaþéttleikann fyrir tengt sílikonhitara er æfing í að halda innri vírhitastigi innan öryggissvæðis fjölliðunnar, nýta yfirburða hitaleið góðs tengis til að ýta aðeins meira afli en laus klemma myndi leyfa. TheWatt þéttleiki sílikon gúmmí hitari álplatahönnun verður að taka mið af stillipunkti plötunnar, kísilþykkt og hitaleiðni og viðnám tengilínunnar. Tengt viðmót leyfir venjulega 20–40% hærri wattaþéttleika en klemmdur hitari við sama hitastig plötunnar, en grundvallarmörkin -200 gráður fyrir venjulegt sílikon eru áfram algjör. Tengingin er lífæð hitarans og góð tenging lætur hann renna aðeins heitari án þess að lenda í hættu. Rétt val, aðstoðað með útreikningum og sannprófun á hitaeiningum, tryggir langan, áreiðanlegan endingartíma.
