功率管散熱的研究進展

功率管散熱的研究進展

隨著大規(guī)模電路和微封裝配技術的發(fā)展，電路中的代理規(guī)模不斷擴大，元件的熱量也越來越突出。它將直接影響到使用它們的各種高精密設備的壽命和可靠性。在航空管制中的電子工程設備中,作為電源采用大功率晶體管,晶體管產生的熱量能否及時地散發(fā),這對晶體管以致整個設備的性能和壽命都有很重要的影響。資料報導:當結點溫度在300℃時,功率管只能用半個月。當結點溫度降至200℃時,壽命可延長到一年,當結點溫度為150℃時壽命為10年。由此可知,對功率管采用有效的散熱措施,是一個實際而重要的課題。當功率管散熱,人們繼續(xù)延用老的、傳統(tǒng)的方法,即發(fā)熱體(功率管)和散熱體之間墊一層絕緣的介質為導熱材料,如:云母片、聚酯膜、聚四氟乙烯,以及氧化鈹陶瓷等,這種方法有一定的效果但存在的問題是:導熱性能差、機械性能低、毒性亦大,如聚四氟乙烯導熱系數為6×10-4J/cm2·s·℃。氧化鈹在成型時毒性大而脆。由于散熱不良,目前普遍只能用到額定功率的40%。1導熱層材料熱阻t如上所述功率管60%的功被耗,其原因用示意圖方法來說明。如圖1所示。從圖中可見,晶體管產生的熱量通過導熱層把熱量傳遞給散熱器,散熱體把熱量散發(fā)掉。發(fā)熱體之間的熱傳遞,主要是以導熱的形式來完成。在穩(wěn)定狀態(tài)下,單位時間所傳遞的熱量可由下式得出:Q=KbS(t1?t2)(1)式中:K—導熱層的導熱率;b—導熱層的厚度;S—導熱層的橫截面積;t1—發(fā)熱體的溫度;t2—散熱體的溫度。(1)式可寫成:Q=t1?t2RC(2)式中:RC=bkS稱為熱阻圖(b)導熱體為一層,在單位時間內傳導的熱量為:Q=t1?t2RC1+RC2+RC3(3)式中:RC1、RC3—介面熱阻;RC2—導熱層材料熱阻。從式中可以看出發(fā)熱體與散熱體之間要導熱良好,RC熱阻越小越好。云母、聚酯存在,導熱系數小,但由于交界面接觸不好,存在著空隙導致RC1、RC3熱阻很大,從而大大減少了散熱效果。即使像銅一樣的導熱材料如氧化鈹陶瓷片,由于它的兩個介面存在著空隙,使這種良好導熱片,散熱效果仍降低53%以上。工程技術人員為了克服上述問題,試用了市售的硅脂、導熱酯等,這類產品是熱塑性的,防潮性、絕緣性、強度等都不高,導熱性不好,熱效果并不明顯,更做不到絕緣保護作用。2導熱用回復壓膠等系列產品南京臺力材料應用研究所根據電子器件、電子設備中需要導熱、絕緣晶體管陶瓷片與銅座的粘合、管芯保護、管殼密封、整流器、熱敏電阻器的導熱絕緣、集成電路、發(fā)熱元件與散熱器的印制電路板之間的導熱絕緣組裝,以及微封裝中多層板的導熱絕緣組裝,要求印制板表面的導熱系數高,既散熱又三防等。臺力所研制生產了具有不同工藝性能的導熱膠,導熱絕緣灌封膠等系列產品,其特性:(1)絕緣性能體積電阻>1014Ω·cm濕熱試驗后>1014Ω·cm3表面電阻>1014Ω·cm3濕熱試驗后>1014Ω·cm3抗電強度>25kV/mm(2)導熱系數0.12J/cm2·s·℃高于石英體(0.01J/cm2·s·℃),高于云母、有機薄膜2~4倍。(3)工作溫度-40℃、-50℃、-60℃、130℃、150℃、250℃、300℃。(4)硬度硬度為邵氏硬度100。承受一定的壓力和扭力,而絕緣層不受破壞?？朔褂帽∧さ还茏拥酌娴拿毯蜕崞魃系拿檀檀?達不到絕緣目的。對導熱絕緣膠在工藝適應性能方面進行了認真的探索。利用膠極性基材與金屬表面發(fā)生物化反應,形成牢固的結合層,有利于抵抗外界條件的變化,而使性能不變。黏度適中,膠能較好地浸潤,滲透被粘物的表面,在真空下容易排除界面氣泡填滿界面的空隙,大大地減小空氣熱阻。導熱絕緣膠系列產品是發(fā)熱元件與散熱器之間的黏結型導熱結構體。具有良好的綜合性能,現(xiàn)已形成批量商品銷售。它對軍工企業(yè)、高新技術產品發(fā)展有著重要的意義。3導熱夾層膠灌封法(1)高精度溫度控制器,用導熱膠灌封,控制精度由原±1℃,熱響應時間5s~8s,提高到±0.3℃,熱響應時間≤3s。樣機在pH=4~11的酸堿液中浸泡120h,無腐蝕、短路、漏電跡象。導熱膠的應用,改變了儀器反應遲鈍,儀器精度達到難以置信的靈敏度,整機出廠穩(wěn)定可靠。(2)某研究所應用導熱膠在原某電源設備上。集成9只大功率管在3塊散熱器上,散熱效果特好,達到難以達到的技術參數,通過軍方驗收,用戶十分滿意。(3)雷達磁場線圈應用導熱絕緣膠,涂于線圈的匝與匝、層與層之間,線圈溫度大大降低,電子速通過率≥95%,功率≥3kW,使產品超過國外同類產品性能,并解決了過去的灌封、浸漬工藝無法解決的難題。(4)某研究所用導熱酯和導熱膠做大功率管散熱,對比結果:導熱膠比導熱酯降低溫度8℃,功率管使用壽命延長一倍。(5)航天部某研究所用導熱膠灌封新型飛機電源,經-55℃~85℃高低溫沖擊振動,電磁兼容試驗,試飛100h,無異常發(fā)生,效果好。另一型號導熱膠,用于大功率管集成電路散熱及散熱器粘接,經溫度沖擊,振動試驗達到設計要求,已運用于飛機上。(6)浙江嘉興電器廠應用導熱膠灌封新型電子變壓器,電流密度達9A/cm2(超出原高度三倍)達到技術要求,外商認可驗收。(7)鹽城新能源研究所用導熱絕緣膠灌封東風-15火箭發(fā)動機上用的一種特種濾波器,要具耐沖擊、耐振動、耐碰撞等,并要求濾波性能變化小,導熱絕緣膠滿足了要求。(8)原電子部某研究所用導熱膠在3DD9D大功率管導熱。其方法:功率管與散熱管之間用0.05mm厚聚酯空心膜圈做墊層,圈空心涂上導熱絕緣膠。測試時電壓為25V,電流5A。管殼溫度65℃,測管殼與散熱板近處的溫度為58℃,溫差7℃。同樣條件,單用聚酯為熱片導熱,溫度12℃。(9)郵電部通信電源廠應用導熱膠在DMA-100A/48V變壓器電感上,經2.5kV/min,高壓試驗無擊穿,其電感量測試,均符合產品要求。模擬產品開機經100℃,8h無異常,絕緣電阻測試>1010MΩ。高壓擊穿均承受3kV/3min無異常。4熱管熱壓南京臺力材料應用研究所研制的導熱膠系列產品已受到市場的重視。除在功率管與散熱器上導熱外,可用于散熱器件、熱管上。能更好地發(fā)揮熱管作用。對于第三代組裝封裝元