Elektrik yalıtımlı soğutucu neden bu kadar nadirdir? Sadece maliyet mi?

Düzenleme: Görünüşe göre benim ilk soru (neden hiçbir yalıtım soğutucu var?) Yanlış bir öncül dayanıyordu, ve aslında yalıtım soğutucu var - Ben sadece bir cursory arama ile bulamadı. Bunun yerine, bunun yerine nadirliklerini sormak için bunu değiştiriyorum.

Soğutucular neredeyse evrensel olarak alüminyum, bakır veya bunların bir kombinasyonundan yapılmış gibi görünmektedir. Bu mantıklı; alüminyum ve bakır kullanımı kolaydır ve yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Ancak elmas, bilinen herhangi bir maddenin en yüksek termal iletkenliklerinden birine sahiptir - elbette, soğutucu olarak kullanılmaya uygun tipte bir elmasın, muhtemelen tek bir olması gerektiğinden, en azından söylemek için aşırı derecede pahalı olacağı açıktır. mücevher kalitesinde kristal, ancak benzer bir termal iletkenliğe sahip olan kübik bor nitrür kullanmak mümkün olmaz mıydı?

Ve evet, büyük bir tek c-BN kristali yapmaktaki üretim zorlukları muhtemelen büyük bir tek kristal kristali yapmakla aynı olurdu, ancak nihai fiyatın öyle olmayacağını düşünüyorum çünkü De Beers grubu yok bor nitrür için peşinden gel. Ve kesinlikle iyi ısı iletkenliğine sahip diğer metalik olmayan bileşikler vardır ve bunların bazıları muhtemelen üretime daha uygun olacaktır. Haddelenmiş alüminyumun fiyat noktasına bile yaklaşabileceklerinden şüpheliyim, ancak bazen daha yüksek performansa ihtiyacınız var.

Yani, özet olarak, sorum şu: Metalik olmayan soğutucuları bu kadar nadir yapan maliyet mi, yoksa en ezoterik uygulamaların dışında onları daha az arzulanan başka dezavantajları var mı?

Diğer cevapların örtüşmediği bir şey, sadece çok ince bir elektrik yalıtkan tabakasına (mütevazı voltajlarda) ihtiyaç duymanızdır, bir ısı alıcının ısı dağıtıcı kısmı kalınsa en iyi şekilde çalışır. Bu nedenle, elektriksel olarak yalıtkan ince bir bariyer ve ardından kalın, ucuz ve kolay imal edilen bir metal soğutucu kullanmak, termal olarak iletken ve elektriksel olarak yalıtkan bir malzemenin tek bir parçasını kullanmaktan daha etkilidir. Var olan az sayıda malzeme (elmas gibi) ekstrüde edilemez veya başka türlü bir soğutucu şeklinde kolayca oluşturulamaz. Bazıları sinterlenebilir ancak sinterleme genellikle dökme malzemenin termal iletkenliğine ulaşamaz. Tüm bu malzeme biliminin mühendislik etkisi, her zaman yaptığımız şeyi yapmamızdır.

Başka bir faktör stok politikalarıdır: hantal sağlam soğutucuları ve daha az sayıda (her zaman gerekli olmadıkları gibi) küçük hassas yalıtım pedlerini stoklayarak, stokunuz iki tür hantal soğutucu stokladığınızdan daha az depolama alanı ve sermaye kaplar. Gerektiğinde, izolatör olmadan maliyet ve performans daha iyidir.

Bu neredeyse yeni bir problem değil; belirli bir yaştaki bizler TO-220 ve TO-3 paketleri için mika izolatörlü soğutucuları hatırlıyoruz.

Konu (o sırada) hem malzeme maliyeti hem de bulunabilirlik ve malzeme bilimiydi. Yıllar boyunca çeşitli bileşiklerin termal iletkenliği anlayışımızda uzun bir yol kat ettik, ancak hala nispeten yeni bir teknolojidir (onlarca yıldır termal olarak iletken pedler gibi, ancak kendi başlarına gerçekten ısı alıcı olmayan şeyler var. sağ).

TO-220, cihazın toplayıcısında / tahliyesinde genellikle yüksek bir voltajda olan ısı dağıtıcıya sahiptir, bu nedenle tipik düzenleme bu tekniği kullanmıştır:

Kaynak .

Isı transferini maksimuma çıkarmak için bazı termal macunların kullanılması da olağandışı değildi .

Şimdi bu, entegre yalıtılmış soğutucuların göreli nadirliğini gerçekten açıklamıyor; bu gerçekten de 'gerekli midir' ya da daha az pahalı olan bir ısı emici ve elektriksel olarak yalıtkan bir bariyer malzemesinin iyi bilinen yöntemini kullanabilir miyim (en azından bugün).

Eski denenmiş ve gerçek yöntem onlarca yıldır iyi hizmet etmiştir, ancak bazı uygulamalar için (özellikle küçük cihazlarda olanlar) böyle bir çözüm uygun olmayabilir.

Orada oldukça birkaç teklifleri mevcut ama onlar biraz daha pahalı (bir başına vat bazında) olma eğilimindedir. Diğer materyaller üzerine de çok fazla araştırma var .

Tabii ki, bling faktör için şunu kullanabilirsiniz bu .

Yani bir şeylere iniyor ve maliyet önemli bir faktör. Isı alıcılar için büyük bir pazarın, IC durumunun yine de elektriksel olarak yalıtıldığı CPU'lar ve GPU'lar için olduğunu da not edeceğim.

Polimer soğutucuları bir sözü hak ediyor. Polimer soğutucuları nadir değildir. Ara sıra polimer, endüstriyel, otomotiv, prosumer mallarında polimer soğutucularla karşılaşıyorum. Soğutucu olarak tanımak genellikle zordur, çünkü ikinci bir mekanik amaca sahip olabilirler (bir muhafaza, bir braket, bir lambanın bir reflektörü). Bu ısı alıcıları her zaman özel enjeksiyon kalıplı parçalardır.

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 plastiktir ( kaynak )

Bu eski cevapta bazı ilave tartışmalar .

Bir soğutucu ile ilgili olan şey, ısı, iletim ve radyasyonu nihai olarak atmanın sadece iki yolunun olmasıdır.

Sonuçta, emisivitenizin makul olarak 1'e yakın olduğunu varsayarsak (Sadece SICAK çalıştırabiliyorsanız gerçekten önemlidir, radyasyona giden güç kaybı 4. mutlak sıcaklığın gücüdür) ve şeyin çevredeki soğutma ortamıyla (Hava ile iyi termal temasa sahip olmasını sağlayabilirsiniz) , su, ne olursa olsun), sadece biraz önemlidir (Bu arayüz performans için katildir, ısı emicinin yığın termal iletkenliği değildir).

Şimdi açıkça ısı soğutucusunu, ısının makul bir şekilde verimli bir şekilde dolaşması ve müttefikten sonra başka bir şey için tartışabilecek çok fazla güç akısı yoğunluğunun olduğu alanda, bol miktarda metaliniz olan şeyin büyük kısmı için tasarlanması gerekir. delta T'yi düşük tutmak, en ucuzudur.

Bir ısı dağıtıcı veya yalıtım yıkayıcı için elbette farklıdır, güç akısı yoğunluğunun çok yüksek olduğu ve minimum termal direncin çok iyi olduğu, dolayısıyla bu rolde bakırın normal kullanımının tanımlandığı gibi, ısı yayıcılar kullanılır.

İzolatör için kullanılan egzotik malzemeleri görüyorsunuz, çünkü aynı zamanda bir elektrik yalıtkanı olan iyi bir ısı iletkeni o kadar yaygın değildir, bu yüzden Bor Nitrür, Alümina, Berilyum Oksit (!) Ve benzerleri burada hizmet görüyor ve ben olmayacağım elmas kullanan biri tarafından şok oldu (Muhtemelen bazı garip RF cihazlarında).

Teknik açıdan bakıldığında, yerleşik izolatör pedleri ile soğutucu üretimi kesinlikle mümkündür. Bunu yapmamalarının sebebi ekonomi.

Farklı mekanik, elektriksel ve termal seçenekler arasında birçok farklı kombinasyon vardır. İzolatör ve soğutucu bir parça olsaydı, satıcıların çok daha benzersiz parça numaraları stoklaması gerekirdi.

İzolatörü ve ısı emicisini benzersiz ürünlere ayırarak kullanıcının çok daha fazla seçeneği vardır.

İşte dikkate almanız gereken bazı şeyler.

1) Birçok durumda kullanıcı, mekanik toleranslarda gevşekliği almak için ısı alıcıları ve sıcak bileşenler arasındaki boşluk pedlerini kullanacaktır. Bu, her kullanıcının pedin farklı bir kalınlıkta olmasını isteyeceği anlamına gelir.

2) Termal izolatör ped malzemeleri pürüzlü yüzeylere ne kadar iyi uyum gösterebildiklerine göre değişir. Malzemenin ne kadar yumuşacık olduğu ve ısıyı ne kadar iyi ilettiği arasında genellikle bir ticaret vardır.

3) Farklı kullanıcıların voltaj açısından farklı izolasyon gereksinimleri olacaktır. İzolasyon gerilimi, malzeme kalınlığı ve termal direnç arasında bir denge vardır.

3) Bir soğutucu ve bir parça arasına bir yalıtkan eklemek, termal direnç açısından bir cezaya sahiptir. Bir yalıtım katmanı kullanmamak mümkünse, bu durumda en iyi termal performansı elde edersiniz.

En iyi uzlaşma, kesilmesi veya delinmemesi için yeterli sertliğe sahip, ancak düşük maliyetli olması gereken, yüksek nominal Gerilim [kV / mm] ile son derece ince geniş bir yüzey alanı katmanı yapmaktır.

Termal olarak iletken yalıtıcı özellikleri;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Tüm elektrik izolatörleri "dielektrik" tir. Tüm soğutucular iyi termal iletkenlerdir.
Ancak katılarda, her ikisi de iyi özelliklere sahip olmak pahalı olabilir. Olası bir çözüm oluşturmak için sıvıyı basınç altında döndüren
faz değişim malzemeleri .

CPU'lar, son derece düz özellikler nedeniyle soğutucuya termal üst olarak seramik cam kullanma eğilimindedir.

Hat gerilimi Triyakları için, Mika 5kV darbe koruması ve termal gres ile termal iletim için en iyi malzemeydi.

Transformatör yağı gibi dielektrik sıvılar da ısı akışına sahip iyi ısı yalıtkanlarıdır.

Malzemelerin karşılaştırılması için değer rakamları Isı iletken izolatörler kullanır;

Termal İletkenlik [W / mK] ,
kalınlık [um] , kıyı sertliği [00] ,
Dielektrik Mukavemet [kV / mm] ve
Termal Empedans [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ veya termal iletim ile $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Geleneksel çözümler; Mika, 3M bant ve bazı polimer bantlar olmuştur.

Aavid Thermalloy'un en ekonomik çözümü:

Termal III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

Cebri hava ısısının uzaklaştırılması için, sayılan CFM değildir, ancak sıklıkla bildirilir, bunun yerine ortalama [m / s] soğutmayı kontrol eden türbülanslı yüzey hava hızıdır.

Her iki parametrenin ürünü en iyi malzeme özelliklerine yol açar, ancak en ucuza değil.

Aslında iyi bir çözüm var: Alüminyum. Eloksallı alüminyum. Eloksal, yüzeyi bir yalıtkan olan Alüminyum Oksite dönüştürür. İyi Haber: Sıcaklığın ortam havasına iletilmesine yardımcı olmak için yüzey alanı arttırılır; Kötü Haber düz, pürüzsüz bir yüzey değil ısı cihazı güç cihazı ile temasa. Çözelti: Termal Bileşik (diğer bir deyişle "Gres"). Önemli notlar: alüminyumun anodize edilmesi için birkaç işlem vardır. Güzel şeylerin çoğu yumuşak olan "Sınıf I" veya orta derecede zor olan "Sınıf II" dir. Sen Sınıf II kullanabilirsiniz Eğer orada soğutulacak cihazın bağlantılı bir hareket olduğunu ve bunun sağlam ısı lavabonun kenetlendi ve çapak veya çizik vardır bu iyi çalışıyor. Çok fazla " eğer " s & ""Senin için mi? O zaman" Sınıf III "eloksal istediğin şeydir. Düzensiz renkli olma eğilimindedir ve siyahın kahverengimsi veya morumsu bir tonu vardır. Neredeyse elmas kadar sert ve çizilmeye karşı oldukça dayanıklıdır. ancak makul voltajlarda izolatör yok Askeri ve havacılık bunu 50 yılı aşkın bir süredir, ince (~ 0.025 ") eloksallı yıkayıcılar (kalıp delinmiş mika TO-3 izolatörlerine benzer) veya tüm muhafaza (füze düşünün) olarak kullanmıştır. Her gün bulmak zor ve maliyeti diğer çözümlere göre daha fazla, ancak işi iyi yapıyor.

"Gres" için Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly veya Saint-Gobain'den silikon (petrol bazlı değil), Alüminyum Oksit (Çinko Oksit değil) kullanın. PC'lerin oyuncularının kullanımı için overclock yapan butik gümüş ve bakır esaslı şeyler hem pahalı hem de iletken. Mevcut taşıma malzemelerine göç etmediği, düşmediği, kuruduğu, toz veya pul vb. Olmadığı sürece Sınıf III anodizasyonu ile sorun yoktur (sadece kullanmayın). Çok fazla ısıyı gresle birleştirmeniz gerekiyorsa, Berilyum Oksit Alüminyum Oksit'den birkaç kat daha iyidir. Sadece asbest gibi davranın: yalamayın, yemeyin, nefes almayın. Cildi tahriş edicidir, bu yüzden eldiven giyin ve bir "toksik cadı avı" saldırısına hazır olun. Bu greslerin cihazın altında sadece 0.0001 "ila 0.0005" kalınlıkta olması gerekir (yarı saydam). Küçük bir plastik veya metal silecekle uygulayın; üretim hacimleri için bir şablon (lehim pastası ~ 0.005 "SS için kullanılanla aynı tipte şablon malzemesi) ve bir silecek kullanın.

Montaj alanında ince bir seramik kaplama ile ısı alıcıları gördüm, ancak Cte'nin farkı bir sorundur ve ince seramiği kırabilir.

Umarım bu yardımcı olur, bunu elektronlar ve elektron delikleri arasında 40 yılı aşkın bir süredir dolaştım.

Genel olarak, sahada "aşınmadan" kaçınmak ve bunun sonucu olarak pahalı değişimden, kristalli soğutuculardan kaçınmak için genel uygulamalar için önemli bir neden olduğundan şüpheleniyorum. Metal soğutucuların sahada asla başarısız olmadığını söylememek. Ancak genel olarak konuşmak gerekirse, sahada metal soğutucuların değiştirilmesi çok daha ucuz olacaktır ve kristal soğutuculara kıyasla çok daha az özel ekipman gerektirecektir.

Yani başlangıçta kristalin soğutucuların şekillendirilmesi genellikle pahalı olacak ve termal ve mekanik stres nedeniyle bir miktar sağ kırılma meydana gelecektir. Özel soğutucu fabrikasında gerçekleşenlerin tümü hala kabul edilebilir toplam maliyetler dahilinde kalabilir. Ancak, son uygulama üreticilerinin soğutucu vb.

İkinci kez bir saha uygulamasında, birçok soğutucu kristal ısı soğutucu için% 100 hayatta kalma oranının dışında olabilecek termal ve mekanik şok ve titreşime maruz kalır. Öte yandan iyi eski metal soğutucuları biraz kötüye ve esneme alabilir. Hatta bazıları, daha büyük bir tertibatın dış şasisine mekanik bir sabitleme noktası olarak ikincil olarak hizmet eder.

Ayrıca kristalin soğutucularda, bağlantı elemanları soğutucu yerine hata noktaları haline gelebilir. Daha yumuşak bir tutturucu, soğutucuya titreşim hasarını hafifletir, bunun yerine aynı titreşimler ve esneme ile yavaş yavaş kesilir.

Bu nedenle kristalin soğutucuların muhtemelen akıllı termal kapanma ve uyarılar varsayarak sahada ara sıra bir onarım öğesi haline geleceği düşünülüyor. Şimdi, sahada hangi özel aletlere ihtiyaç olduğunu ve ortalama teknolojiniz değiştirme ile uğraşmaya çalıştığında ne tür kırılma oranlarının geçerli olabileceğini düşünün. Eminim soğutucular birçok kolordu, hükümet ve özel müşterilerin devre olmasa bile yerel teknolojilerin işlemesini beklerdi. Sadece bir İngiliz anahtarı işi değil mi?