功率管散热的研究进展

功率管散热的研究进展

随着大规模电路和微封装配技术的发展，电路中的代理规模不断扩大，元件的热量也越来越突出。它将直接影响到使用它们的各种高精密设备的寿命和可靠性。在航空管制中的电子工程设备中,作为电源采用大功率晶体管,晶体管产生的热量能否及时地散发,这对晶体管以致整个设备的性能和寿命都有很重要的影响。资料报导:当结点温度在300℃时,功率管只能用半个月。当结点温度降至200℃时,寿命可延长到一年,当结点温度为150℃时寿命为10年。由此可知,对功率管采用有效的散热措施,是一个实际而重要的课题。当功率管散热,人们继续延用老的、传统的方法,即发热体(功率管)和散热体之间垫一层绝缘的介质为导热材料,如:云母片、聚酯膜、聚四氟乙烯,以及氧化铍陶瓷等,这种方法有一定的效果但存在的问题是:导热性能差、机械性能低、毒性亦大,如聚四氟乙烯导热系数为6×10-4J/cm2·s·℃。氧化铍在成型时毒性大而脆。由于散热不良,目前普遍只能用到额定功率的40%。1导热层材料热阻t如上所述功率管60%的功被耗,其原因用示意图方法来说明。如图1所示。从图中可见,晶体管产生的热量通过导热层把热量传递给散热器,散热体把热量散发掉。发热体之间的热传递,主要是以导热的形式来完成。在稳定状态下,单位时间所传递的热量可由下式得出:Q=KbS(t1−t2)(1)式中:K—导热层的导热率;b—导热层的厚度;S—导热层的横截面积;t1—发热体的温度;t2—散热体的温度。(1)式可写成:Q=t1−t2RC(2)式中:RC=bkS称为热阻图(b)导热体为一层,在单位时间内传导的热量为:Q=t1−t2RC1+RC2+RC3(3)式中:RC1、RC3—介面热阻;RC2—导热层材料热阻。从式中可以看出发热体与散热体之间要导热良好,RC热阻越小越好。云母、聚酯存在,导热系数小,但由于交界面接触不好,存在着空隙导致RC1、RC3热阻很大,从而大大减少了散热效果。即使像铜一样的导热材料如氧化铍陶瓷片,由于它的两个介面存在着空隙,使这种良好导热片,散热效果仍降低53%以上。工程技术人员为了克服上述问题,试用了市售的硅脂、导热酯等,这类产品是热塑性的,防潮性、绝缘性、强度等都不高,导热性不好,热效果并不明显,更做不到绝缘保护作用。2导热用回复压胶等系列产品南京台力材料应用研究所根据电子器件、电子设备中需要导热、绝缘晶体管陶瓷片与铜座的粘合、管芯保护、管壳密封、整流器、热敏电阻器的导热绝缘、集成电路、发热元件与散热器的印制电路板之间的导热绝缘组装,以及微封装中多层板的导热绝缘组装,要求印制板表面的导热系数高,既散热又三防等。台力所研制生产了具有不同工艺性能的导热胶,导热绝缘灌封胶等系列产品,其特性:(1)绝缘性能体积电阻>1014Ω·cm湿热试验后>1014Ω·cm3表面电阻>1014Ω·cm3湿热试验后>1014Ω·cm3抗电强度>25kV/mm(2)导热系数0.12J/cm2·s·℃高于石英体(0.01J/cm2·s·℃),高于云母、有机薄膜2~4倍。(3)工作温度-40℃、-50℃、-60℃、130℃、150℃、250℃、300℃。(4)硬度硬度为邵氏硬度100。承受一定的压力和扭力,而绝缘层不受破坏。克服使用薄膜但被管子底面的毛刺和散热器上的毛刺刺穿,达不到绝缘目的。对导热绝缘胶在工艺适应性能方面进行了认真的探索。利用胶极性基材与金属表面发生物化反应,形成牢固的结合层,有利于抵抗外界条件的变化,而使性能不变。黏度适中,胶能较好地浸润,渗透被粘物的表面,在真空下容易排除界面气泡填满界面的空隙,大大地减小空气热阻。导热绝缘胶系列产品是发热元件与散热器之间的黏结型导热结构体。具有良好的综合性能,现已形成批量商品销售。它对军工企业、高新技术产品发展有着重要的意义。3导热夹层胶灌封法(1)高精度温度控制器,用导热胶灌封,控制精度由原±1℃,热响应时间5s~8s,提高到±0.3℃,热响应时间≤3s。样机在pH=4~11的酸碱液中浸泡120h,无腐蚀、短路、漏电迹象。导热胶的应用,改变了仪器反应迟钝,仪器精度达到难以置信的灵敏度,整机出厂稳定可靠。(2)某研究所应用导热胶在原某电源设备上。集成9只大功率管在3块散热器上,散热效果特好,达到难以达到的技术参数,通过军方验收,用户十分满意。(3)雷达磁场线圈应用导热绝缘胶,涂于线圈的匝与匝、层与层之间,线圈温度大大降低,电子速通过率≥95%,功率≥3kW,使产品超过国外同类产品性能,并解决了过去的灌封、浸渍工艺无法解决的难题。(4)某研究所用导热酯和导热胶做大功率管散热,对比结果:导热胶比导热酯降低温度8℃,功率管使用寿命延长一倍。(5)航天部某研究所用导热胶灌封新型飞机电源,经-55℃~85℃高低温冲击振动,电磁兼容试验,试飞100h,无异常发生,效果好。另一型号导热胶,用于大功率管集成电路散热及散热器粘接,经温度冲击,振动试验达到设计要求,已运用于飞机上。(6)浙江嘉兴电器厂应用导热胶灌封新型电子变压器,电流密度达9A/cm2(超出原高度三倍)达到技术要求,外商认可验收。(7)盐城新能源研究所用导热绝缘胶灌封东风-15火箭发动机上用的一种特种滤波器,要具耐冲击、耐振动、耐碰撞等,并要求滤波性能变化小,导热绝缘胶满足了要求。(8)原电子部某研究所用导热胶在3DD9D大功率管导热。其方法:功率管与散热管之间用0.05mm厚聚酯空心膜圈做垫层,圈空心涂上导热绝缘胶。测试时电压为25V,电流5A。管壳温度65℃,测管壳与散热板近处的温度为58℃,温差7℃。同样条件,单用聚酯为热片导热,温度12℃。(9)邮电部通信电源厂应用导热胶在DMA-100A/48V变压器电感上,经2.5kV/min,高压试验无击穿,其电感量测试,均符合产品要求。模拟产品开机经100℃,8h无异常,绝缘电阻测试>1010MΩ。高压击穿均承受3kV/3min无异常。4热管热压南京台力材料应用研究所研制的导热胶系列产品已受到市场的重视。除在功率管与散热器上导热外,可用于散热器件、热管上。能更好地发挥热管作用。对于第三代组装封装元