Терморегулирующие материалы для электронной упаковки

Введение

Электронные устройства при работе выделяют тепло. Повышенное тепло снижает их производительность и срок службы. Чтобы сделать их использование безопасным, необходимо обеспечить терморегулирование. Материалы в упаковке электронных устройств помогают отводить тепло.

Основные принципы терморегулирования

Электрические системы выделяют тепло из-за потери энергии. Дальнейшее нагревание создает нагрузку на схемы и снижает их производительность. Общая концепция терморегулирования заключается в распределении тепла для поддержания постоянной температуры. Для этого обычно используются теплопроводность, конвекция и иногда излучение. Для передачи тепла от хрупких компонентов используются соответствующие материалы. Инженеры тщательно подбирают эти материалы в соответствии с потребностями устройства и ожидаемыми тепловыми нагрузками.

Металлы: Высокая прочность и теплопроводность

Металлы часто являются наиболее предпочтительным материалом для терморегулирования. Они обладают высокой теплопроводностью. Медь является исключительным материалом среди металлов. Теплопроводность меди составляет почти 400 ватт на метр Кельвина. Далее следует алюминий с теплопроводностью около 205 ватт на метр Кельвина. Металлы также обладают высокой прочностью и долговечностью. В электронной упаковке радиаторы и опорные пластины из меди или алюминия эффективно рассеивают тепло. Их эффективная проводимость используется для безопасного функционирования компонентов при температурах даже в сложных условиях.

Керамика: Проводимость с изоляцией

Керамика также полезна тем, что она не только проводит тепло, но и обеспечивает электрическую изоляцию. Нитрид алюминия, например, обладает теплопроводностью почти 170 ватт на метр Кельвина. Эта керамика часто используется в подложках, применяемых в силовой электронике. Карбид кремния также является керамикой, которая используется там, где необходимы изоляция и теплопроводность. Характер керамики позволяет использовать ее там, где одновременно должны происходить электроизоляция и теплопередача. Они очень распространены в высоковольтных приложениях.

Полимеры и теплопроводящие композиты

Полимеры легки по весу и гибки. Они широко используются там, где вес является проблемой. Чистые полимеры редко хорошо проводят тепло, однако наполнители позволяют им значительно улучшить свои характеристики. Например, полимеры, смешанные с нитридом бора или графеном, могут иметь теплопроводность до 10 ватт на метр Кельвина. Они находят применение в портативных устройствах, где лишний вес является недостатком. Благодаря своей гибкости они могут быть изготовлены в различных формах и размерах для удовлетворения различных требований к охлаждению.

Термоинтерфейсные материалы (ТИМ)

При хороших теплораспределителях места контакта между элементами могут быть не совсем идеальными. Небольшие отверстия препятствуют передаче тепла. Материалы для термоинтерфейса заполняют эти отверстия. ТИМ обычно выпускаются в виде пасты или накладок. Распространены пасты на основе силикона. Они обеспечивают эффективный тепловой поток от одного элемента к другому. Такие материалы необходимы в оборудовании с высокой плотностью мощности. Их роль заключается в снижении теплового сопротивления и поддержании рабочих температур под контролем.

Фазовые изменения и передовые наноматериалы

Некоторые решения в области терморегулирования основаны на свойствах фазового перехода. Они поглощают тепло при переходе из твердого состояния в жидкое. Этот процесс снижает температурные пики в случае циклов высокой мощности. Материалы с фазовым переходом применяются в системах с переменной температурой. Также рассматриваются перспективные наноматериалы. Например, углеродные нанотрубки и нанонаполнители могут значительно повысить теплопроводность. В некоторых передовых композитах теплопроводность увеличивается примерно до 20 ватт на метр Кельвина. Они используются в высокопроизводительных вычислительных системах и светодиодном освещении и открывают новые возможности для управления теплом в устройствах, которые находятся под нагрузкой, требующей высокой производительности.

Заключение

Управление тепловым режимом электронной упаковки очень важно. Управление теплом позволяет избежать повреждения устройств и увеличить срок их службы. Металлы, керамика и полимеры обладают различными свойствами, способствующими перемещению или рассеиванию тепла. Термоинтерфейсные материалы помогают свободному тепловому потоку между пространствами. Фазоизменяющиеся материалы и наноматериалы предлагают новые решения для трудноразрешимых проблем с теплом.

Часто задаваемые вопросы

F: Какой материал обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью в электронике

В: Медь - металл высокого класса, славящийся теплопроводностью почти 400 ватт на метр Кельвина.

F: Какую роль играет керамика в электронной упаковке?

В: Керамика обеспечивает эффективную теплопередачу и электроизоляцию для высоковольтных приложений.

F: Зачем устройствам нужны материалы для термоинтерфейса?

В: Они заполняют крошечные пространства и уменьшают сопротивление между деталями, чтобы обеспечить эффективную передачу тепла.

Ссылки:

[1] Тепловое управление (электроника). (2025, 12 мая). В Википедии. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_(электроника).