功率管散熱的研究進(jìn)展

隨著大規(guī)模電路和微封裝配技術(shù)的發(fā)展，電路中的代理規(guī)模不斷擴(kuò)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(shè)備的壽命和可靠性。在航空管制中的電子工程設(shè)備中,作為電源采用大功率晶體管,晶體管產(chǎn)生的熱量能否及時(shí)地散發(fā),這對(duì)晶體管以致整個(gè)設(shè)備的性能和壽命都有很重要的影響。資料報(bào)導(dǎo):當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度在300℃時(shí),功率管只能用半個(gè)月。當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度降至200℃時(shí),壽命可延長(zhǎng)到一年,當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為150℃時(shí)壽命為10年。由此可知,對(duì)功率管采用有效的散熱措施,是一個(gè)實(shí)際而重要的課題。當(dāng)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(zhì)為導(dǎo)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(dǎo)熱性能差、機(jī)械性能低、毒性亦大,如聚四氟乙烯導(dǎo)熱系數(shù)為6×10-4J/cm2·s·℃。氧化鈹在成型時(shí)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(dǎo)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(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)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(dǎo)熱的形式來完成。在穩(wěn)定狀態(tài)下,單位時(shí)間所傳遞的熱量可由下式得出:Q=KbS(t1?t2)(1)式中:K—導(dǎo)熱層的導(dǎo)熱率;b—導(dǎo)熱層的厚度;S—導(dǎo)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(dǎo)熱體為一層,在單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量為:Q=t1?t2RC1+RC2+RC3(3)式中:RC1、RC3—介面熱阻;RC2—導(dǎo)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(dǎo)熱良好,RC熱阻越小越好。云母、聚酯存在,導(dǎo)熱系數(shù)小,但由于交界面接觸不好,存在著空隙導(dǎo)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(dǎo)熱材料如氧化鈹陶瓷片,由于它的兩個(gè)介面存在著空隙,使這種良好導(dǎo)熱片,散熱效果仍降低53%以上。工程技術(shù)人員為了克服上述問題,試用了市售的硅脂、導(dǎo)熱酯等,這類產(chǎn)品是熱塑性的,防潮性、絕緣性、強(qiáng)度等都不高,導(dǎo)熱性不好,熱效果并不明顯,更做不到絕緣保護(hù)作用。2導(dǎo)熱用回復(fù)壓膠等系列產(chǎn)品南京臺(tái)力材料應(yīng)用研究所根據(jù)電子器件、電子設(shè)備中需要導(dǎo)熱、絕緣晶體管陶瓷片與銅座的粘合、管芯保護(hù)、管殼密封、整流器、熱敏電阻器的導(dǎo)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(dǎo)熱絕緣組裝,以及微封裝中多層板的導(dǎo)熱絕緣組裝,要求印制板表面的導(dǎo)熱系數(shù)高,既散熱又三防等。臺(tái)力所研制生產(chǎn)了具有不同工藝性能的導(dǎo)熱膠,導(dǎo)熱絕緣灌封膠等系列產(chǎn)品,其特性:(1)絕緣性能體積電阻>1014Ω·cm濕熱試驗(yàn)后>1014Ω·cm3表面電阻>1014Ω·cm3濕熱試驗(yàn)后>1014Ω·cm3抗電強(qiáng)度>25kV/mm(2)導(dǎo)熱系數(shù)0.12J/cm2·s·℃高于石英體(0.01J/cm2·s·℃),高于云母、有機(jī)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(dá)不到絕緣目的。對(duì)導(dǎo)熱絕緣膠在工藝適應(yīng)性能方面進(jìn)行了認(rèn)真的探索。利用膠極性基材與金屬表面發(fā)生物化反應(yīng),形成牢固的結(jié)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(rùn),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(dǎo)熱絕緣膠系列產(chǎn)品是發(fā)熱元件與散熱器之間的黏結(jié)型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)體。具有良好的綜合性能,現(xiàn)已形成批量商品銷售。它對(duì)軍工企業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展有著重要的意義。3導(dǎo)熱夾層膠灌封法(1)高精度溫度控制器,用導(dǎo)熱膠灌封,控制精度由原±1℃,熱響應(yīng)時(shí)間5s~8s,提高到±0.3℃,熱響應(yīng)時(shí)間≤3s。樣機(jī)在pH=4~11的酸堿液中浸泡120h,無腐蝕、短路、漏電跡象。導(dǎo)熱膠的應(yīng)用,改變了儀器反應(yīng)遲鈍,儀器精度達(dá)到難以置信的靈敏度,整機(jī)出廠穩(wěn)定可靠。(2)某研究所應(yīng)用導(dǎo)熱膠在原某電源設(shè)備上。集成9只大功率管在3塊散熱器上,散熱效果特好,達(dá)到難以達(dá)到的技術(shù)參數(shù),通過軍方驗(yàn)收,用戶十分滿意。(3)雷達(dá)磁場(chǎng)線圈應(yīng)用導(dǎo)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(chǎn)品超過國(guó)外同類產(chǎn)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(dǎo)熱酯和導(dǎo)熱膠做大功率管散熱,對(duì)比結(jié)果:導(dǎo)熱膠比導(dǎo)熱酯降低溫度8℃,功率管使用壽命延長(zhǎng)一倍。(5)航天部某研究所用導(dǎo)熱膠灌封新型飛機(jī)電源,經(jīng)-55℃~85℃高低溫沖擊振動(dòng),電磁兼容試驗(yàn),試飛100h,無異常發(fā)生,效果好。另一型號(hào)導(dǎo)熱膠,用于大功率管集成電路散熱及散熱器粘接,經(jīng)溫度沖擊,振動(dòng)試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,已運(yùn)用于飛機(jī)上。(6)浙江嘉興電器廠應(yīng)用導(dǎo)熱膠灌封新型電子變壓器,電流密度達(dá)9A/cm2(超出原高度三倍)達(dá)到技術(shù)要求,外商認(rèn)可驗(yàn)收。(7)鹽城新能源研究所用導(dǎo)熱絕緣膠灌封東風(fēng)-15火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上用的一種特種濾波器,要具耐沖擊、耐振動(dòng)、耐碰撞等,并要求濾波性能變化小,導(dǎo)熱絕緣膠滿足了要求。(8)原電子部某研究所用導(dǎo)熱膠在3DD9D大功率管導(dǎo)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(dǎo)熱絕緣膠。測(cè)試時(shí)電壓為25V,電流5A。管殼溫度65℃,測(cè)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(dǎo)熱,溫度12℃。(9)郵電部通信電源廠應(yīng)用導(dǎo)熱膠在DMA-100A/48V變壓器電感上,經(jīng)2.5kV/min,高壓試驗(yàn)無擊穿,其電感量測(cè)試,均符合產(chǎn)品要求。模擬產(chǎn)品開機(jī)經(jīng)100℃,8h無異常,絕緣電阻測(cè)試>1010MΩ。高壓擊穿均承受3kV/3min無異常。4熱管熱壓南京臺(tái)力材料應(yīng)用研究所研制的導(dǎo)熱膠系列產(chǎn)品已受到市場(chǎng)的重視。除在功率管與散熱器上導(dǎo)熱外,可用于散熱器件、熱管上。能更好地發(fā)揮熱管作用。對(duì)于第三代組裝封裝元