散热第一步是导热

2024-8-6 08:52:58 6217 导热散热

0 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结构外观图需要仿真源文件、结构3D模型、仿真资料的自学研究的，可关注公众号“莱歌数字”，发送“充电机”，获取资料，配套仿真视频教程见B站（莱歌数字）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。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。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：绝缘要求，需要解决hipot、EMC等的问题。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。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。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）。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400200mm，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。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。 1 本主题由 liuyongwangzi 于 2024-8-6 10:19 审核通过
2024-8-6 08:52:58　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 散热的第一步，导热 653 • 散热第一步：选用合适的导热材料 3 • 智慧城市的第一步是什么 996 • 新手谈FPGA学习，FPGA设计第一步 2642 • 【NanoPi2试用体验】裸机第一步 6138 • 关于电机启动第一步预充电 2656 • 学习单片机的第一步是什么？？ 4312 • 求助。。。学习第一步就遇到了难题 3628 • NodeMCU第一步（固件烧写） 4 • MES是迈向智能之路的第一步 11 1 个讨论

0 电子产品散热问题联系我，给你专业的解决方案。电话1-8-6-5-6-4-5-6-2-9-1，微信同号

2024-8-9 09:07:20 评论举报 1^# jf_86221244