الألومينا ونيتريد الألومنيوم (AlN) مادتان خزفيتان للركائز تُستخدمان عندما تحتاج مجموعة إلكترونية إلى العزل ومسار متحكم فيه لتبديد الحرارة. قد توفر درجات AlN موصلية حرارية أعلى؛ وقد تكون الألومينا كافية عندما يحقق المسار الحراري الكامل درجة الحرارة المستهدفة. قبل الاختيار، قارن بين درجة المادة المحددة وسُمك الخزف وبنية النحاس وترتيبات التبريد.
ابدأ بمصدر الحرارة ومساحة تلامسه وترتيبات التبريد. ثم قارن بين درجات المواد الخزفية وبنى الركائز الفعلية. يمكن أن تساعد مادة خزفية أعلى موصلية عندما يشكل الخزف جزءًا مؤثرًا من المسار الحراري؛ لكنها لا تستطيع التعويض عن كل سطح تلامس ضعيف التوصيل في مواضع أخرى من المجموعة.
لوحة دوائر خزفية متعددة الرقائق مخصصة لدرجات الحرارة المرتفعة. المصدر: مركز غلين للأبحاث التابع لناسا. لا يحدد المصدر درجة المادة الخزفية؛ وهذه اللوحة ليست منتجًا من APTPCB.
أولًا، حدد بنية الركيزة الخزفية التي تحتاج إليها
تتكون ركيزة الخزف الصلب من جسم خزفي عازل تحت الموصل. أما الصفيحة العضوية المحشوة بالخزف فهي بنية مختلفة: تُمزج فيها جسيمات خزفية مع نظام راتنجي، وأحيانًا مع تقوية زجاجية. قد يظهر كلا النوعين عند البحث عن مواد الإلكترونيات، لكن لا ينبغي اعتبار طرق تصنيعهما وخصائصهما قابلة للاستبدال.
كما أن اختيار المادة الخزفية نفسها منفصل عن اختيار طريقة إكسائها المعدني. يصف كل من النحاس المرتبط مباشرة بالخزف (DBC) واللحام بالنحاس باستخدام معدن نشط (AMB) طريقتين لربط المعدن بالخزف. وهما ليسا تسميتين بديلتين للألومينا وAlN. ويجب التأكد من توافر التركيبة المطلوبة للمشروع من الخزف والنحاس والهندسة وعملية الربط. تتناول المقارنة بين DBC وAMB قرار اختيار طريقة الربط بمزيد من التفصيل.
قارن المسار الحراري الكامل
قد تمر الحرارة الصادرة عن شبه موصل عبر عدة طبقات قبل أن تصل إلى صفيحة تبريد أو إلى الهواء المحيط: طبقة تثبيت الشريحة، والنحاس، والخزف، وطبقة تثبيت أخرى، وواجهة تبريد. تسهم كل طبقة في ارتفاع درجة الحرارة. كما تنتشر الحرارة أثناء انتقالها، لذا لا تتطابق المساحة الفعالة عند إحدى الطبقات بالضرورة مع مساحة قاعدة الشريحة.
اطرح هذه الأسئلة قبل مقارنة قيم الموصلية:
- ما مقدار الحرارة التي يجب أن يبددها الجهاز، وما المساحة التي تدخل الحرارة عبرها إلى الركيزة؟
- ما درجة الحرارة المسموح بها عند المكوّن وعند واجهة التبريد؟
- ما سُمك كل من طبقات الخزف والنحاس والتثبيت المقترحة، وما خصائصها الحرارية؟
- كيف ستتصل الركيزة بالمبدد الحراري أو صفيحة التبريد، وما مادة الواجهة المخطط استخدامها؟
- أي الافتراضات تتطلب نموذجًا حراريًا أو قياسًا على نموذج أولي أو كليهما؟
إذا أظهر حساب أولي أن الخزف يسهم بقدر ضئيل نسبيًا في الارتفاع الكلي لدرجة الحرارة، فقد تحقق درجة أعلى موصلية فائدة للنظام أقل مما هو متوقع. أما إذا كان الخزف هو العنصر المهيمن في المسار، فقد يستحق AlN دراسة أمعن. في كلتا الحالتين، تتطلب المقارنة درجة المادة وسُمكها وظروف التشغيل الفعلية. يتناول دليل مواد الواجهة الحرارية جزءًا آخر من ذلك المسار.
قدّر مساهمة الطبقة الخزفية
لإجراء تقدير أولي لتدفق الحرارة عبر طبقة متجانسة، تكون العلاقة المبسطة R = t / (k × A)، حيث تمثل R المقاومة الحرارية، وt سُمك الطبقة، وk الموصلية الحرارية، وA مساحة تدفق الحرارة المفترضة. ويُقدّر فرق درجة الحرارة عبر تلك الطبقة تقريبًا بضرب التدفق الحراري في مقاومتها الحرارية.
للتوضيح، افترض طبقة بسُمك 0.5 mm، ومساحة ثابتة لتدفق الحرارة تبلغ 100 mm²، وتدفقًا حراريًا قدره 20 W. قارن بين قيمتي موصلية افتراضيتين، 25 و100 W/(m·K). اختيرت هذه الأرقام لتوضيح طريقة الحساب؛ وهي لا تمثل خصائص درجة محددة من الألومينا أو AlN.
| الافتراض | التحويل أو النتيجة |
|---|---|
| سُمك الطبقة | 0.5 mm = 0.0005 m |
| مساحة تدفق الحرارة | 100 mm² = 0.0001 m² |
| مادة افتراضية، 25 W/(m·K) | 0.0005 / (25 × 0.0001) = 0.20 K/W؛ وعند 20 W، يكون فرق درجة الحرارة 4°C |
| مادة افتراضية، 100 W/(m·K) | 0.0005 / (100 × 0.0001) = 0.05 K/W؛ وعند 20 W، يكون فرق درجة الحرارة 1°C |
وفقًا لهذه الافتراضات، يبلغ الفرق العائد إلى الخزف وحده 3°C. وتتوقف أهمية ذلك على هامش درجة الحرارة المتبقي للجهاز وبقية مساره الحراري. يستبعد هذا التقدير مقاومات طبقة تثبيت الشريحة والنحاس والواجهة الحرارية والتبريد. وهو يفترض تدفقًا حراريًا مستقرًا أحادي البعد عبر مساحة ثابتة وموصلية ثابتة؛ بينما تنتشر الحرارة فعليًا وقد تتغير الخصائص مع درجة الحرارة. ولا يتنبأ هذا التقدير بدرجة حرارة الوصلة. لإجراء مقارنة خاصة بالمشروع، استبدل الافتراضات ببيانات درجات المواد والبنية المقترحة.
يؤدي تقليل سُمك الخزف أيضًا إلى خفض المقاومة في هذه المعادلة المبسطة. لكن السُمك جزء من تصميم العزل والتصميم الميكانيكي. اتفق على البنية الفعلية وسماحياتها قبل اعتبار الركيزة الأقل سُمكًا خيارًا ممكنًا.
حوّل درجة الحرارة المستهدفة إلى أساس للمقارنة
ابدأ بالحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة الجهاز في ظروف التشغيل المعنية، وبدرجة الحرارة المتوقعة عند حد التبريد. يمثل الفرق بينهما الارتفاع المتاح في درجة الحرارة عبر المسار الذي يمثله النموذج. قدّر الفواقد في المكوّن وحدد مواضع دخولها إلى المجموعة؛ ثم وزّع الارتفاع المتاح على أسطح التلامس والركيزة وترتيبات التبريد.
يحتاج حد التبريد نفسه إلى تصميم محدد. يناقش دليل المبددات الحرارية للوحات الدوائر المطبوعة العلاقة بين اللوحة ومادة الواجهة والمبدد الحراري.
إذا كانت النتيجة الأولية قريبة من الحد، فحدد المدخلات الأقل يقينًا. قد تتطلب مساحة التلامس وجودة الواجهة وظروف التبريد قياسات أو تحليل حساسية. قارن أولًا بين المواد الخزفية المرشحة باستخدام الافتراضات نفسها، ثم استبدل هذه الافتراضات ببيانات الموردين المقترحين الخاصة بكل درجة. ينبغي أن تؤدي المقاومة الخزفية المحسوبة الأقل إلى فحص أكثر تفصيلًا للنظام، لا إلى اعتماد المادة تلقائيًا.
ما العوامل الأخرى التي تغير قرار اختيار المادة؟
| القرار | ما تجب مقارنته | سؤال لفريق المشروع |
|---|---|---|
| الأداء الحراري | موصلية الدرجة المقترحة في الظروف المعنية، وسُمك الخزف، ومساحة تدفق الحرارة | هل يحقق المسار الحراري الكامل درجة الحرارة المستهدفة للجهاز؟ |
| العزل الكهربائي | سُمك الركيزة، وتخطيط الموصلات، والحواف، والبيئة، ومتطلبات الاختبار المطبقة | ما الجهد وما أدلة العزل المطلوبة للمنتج بعد تجميعه؟ |
| السلوك الميكانيكي | درجة الخزف، ونمط النحاس، والتثبيت، والمناولة أو الدورات الحرارية المتوقعة | أين قد تنشأ إجهادات ميكانيكية، وما الأدلة المطلوبة؟ |
| التصنيع والتجميع | الإكساء المعدني، والتشطيب، والهندسة، وعملية التثبيت، والسماحيات | هل يمكن أن تتوافق البنية المقترحة مع عملية التجميع؟ |
| التوريد والتكلفة | الدرجات والسماكات والكميات المتاحة والبدائل المعتمدة | ما الذي يمكن تسعيره، وما التغيير الذي يتطلب اعتمادًا جديدًا؟ |
تفيد الخاصية العازلة للمادة في حالتها السائبة في مقارنة بيانات المواد، لكنها لا تمثل تلقائيًا تصنيف العزل لوحدة مجمّعة. فالتباعد بين الموصلات، والحواف، والتلوث، والسُمك، ومتطلبات المنتج ذات الصلة كلها عوامل مهمة. وبالمثل، لا ينبغي افتراض قدرة مادة خزفية على تحمل الصدمات أو الاهتزازات أو التغيرات المتكررة في درجة الحرارة دون تقييم بنيتها واستخدامها الفعليين.
اقرأ ورقة بيانات المادة الخزفية إلى جانب الرسم
قد تذكر ورقتا بيانات «الألومينا» بينما تصفان درجات مختلفة، أو عينات اختبار مختلفة، أو درجات حرارة مختلفة. سجّل الشركة المصنّعة ودرجة المادة المحددة، ثم تحقق من الظروف المذكورة قبل إدخال أي خاصية في نموذج. إذا كانت الموصلية مذكورة لاتجاه أو درجة حرارة معينة، فاحتفظ بهذه التفاصيل؛ وإذا لم تذكرها الورقة، فاستفسر بدلًا من إدخال قيمة مفترضة.
بالنسبة إلى العزل الكهربائي، سجّل الخاصية المذكورة وسُمك العينة وطريقة الاختبار. وللمقارنة الميكانيكية، ميّز بين خاصية المادة المقاسة على عينة محددة وسلوك الركيزة بعد ربط النحاس بها وقصها وتجميعها وتثبيتها. لا يمكن لقيمة واحدة للموصلية أو المتانة أو الخصائص العازلة أن تحل محل رسم المجموعة المقترحة.
ينبغي أن تحدد المقارنة أيضًا بنية النحاس والتشطيب السطحي. فقد تكون درجة المادة مناسبة من حيث المبدأ، بينما لا تزال هندسة الموصلات أو حجم الركيزة أو التشطيب المطلوب بحاجة إلى مراجعة تصنيعية منفصلة. أرسل الرسم ومواصفة المادة معًا حتى يتمكن المورد من التنبيه إلى المتطلبات الناقصة أو غير المتوافقة.
ضع المناولة والدورات الحرارية في الحسبان مبكرًا
تتطلب الركائز الخزفية الانتباه إلى الأحمال الميكانيكية أثناء التصنيع والنقل والتجميع والخدمة. اسأل عن مواضع إسناد الركيزة، وكيفية تثبيتها بإحكام على سطح التبريد، وما إذا كان بإمكان برغي أو موصل أو كابل تطبيق حمل موضعي عليها. وثّق مواد التثبيت المقترحة ودرجات حرارة التجميع المتوقعة.
قد يستجيب النحاس والخزف والمواد المجاورة بطرق مختلفة لتغيرات درجة الحرارة. ويتوقف السلوك الناتج على البنية الكاملة، بما في ذلك نمط النحاس وسُمكه، ودرجة الخزف، والواجهات، والتعرض الحراري. لا يكفي معامل التمدد الخاص بالمادة وحده لحساب العمر التشغيلي. إذا كان التطبيق يتطلب أدلة على تحمل الدورات، فحدد تهيئة المجموعة، وملف درجة الحرارة أو القدرة، وطريقة الفحص، ومعايير القبول الخاصة بالمشروع.
ينبغي أيضًا تقييم الألومينا وAlN بوصفهما ركيزتين مكتملتين ومكسوتين بالمعدن، بدلًا من الحكم عليهما بناءً على الخزف غير المكسو وحده. اطلب تعليمات المناولة والتنظيف والتخزين والتجميع التي تنطبق على البنية الفعلية. ولا ينبغي افتراض أن إجراءً مناسبًا لدرجة مادة أو طريقة إكساء معدني معينة ينطبق على جميع الدرجات والطرق الأخرى.
عندما يستدعي التصميم التثبيت باللحام، راجع التشطيب المقترح والملف الحراري مع فريق التجميع. يناقش دليل اللحام على الخزف اعتبارات التثبيت بمزيد من التفصيل.
ما الذي قد يغير القرار؟
إذا أظهر النموذج الحراري أن الواجهة مع صفيحة التبريد مسؤولة عن معظم ارتفاع درجة الحرارة، فقد يكون تحسين تلك الواجهة أجدى من تغيير الخزف. وإذا كانت مساهمة الخزف كبيرة، فيمكن للفريق مقارنة درجة أعلى موصلية بالتكلفة الإضافية وقيود التصميم الأخرى. وفي الحالتين، لا تزال النتيجة بحاجة إلى التحقق في ضوء متطلبات العزل والتثبيت والتصنيع.
إذا توفرت مادة واحدة فقط بالسُمك وبنية النحاس المطلوبين، فقد يتحول القرار العملي إلى تعديل تكديس الطبقات أو تغيير التبريد. سجّل المتطلب الذي يفرض هذا التغيير واحصل على الموافقة قبل استبدال درجة مادة محددة في المواصفات. فقد يتطلب بديل يبدو مشابهًا في جدول الخصائص الحرارية معالجة مختلفة أو أدلة تأهيل جديدة.
المعلومات التي ينبغي تضمينها في الاستفسار
قدّم المادة المقصودة أو بدائلها، وسُمك الخزف وسماحيته، ونمط الموصلات ومتطلبات النحاس، والتشطيب السطحي المطلوب. أضف الحمل الحراري وواجهة التبريد، وجهد التشغيل والبيئة، وترتيب التثبيت، وأي دورات حرارية متوقعة أثناء التجميع أو الخدمة.
حدد المتطلبات الثابتة وتلك التي يمكن مناقشتها. اسأل عن درجات المواد وخيارات البنية المتاحة للطلب، والبيانات التي تنطبق على كل خيار، وكيفية اعتماد البدائل المقترحة. إذا كانت لديك مواصفة قائمة لتكديس الطبقات أو المواد، فأرفق رقم مراجعتها وأي رسومات ذات صلة.
لإجراء مقارنات أوسع، ابدأ بـدليل اختيار مواد لوحات الدوائر المطبوعة. ولمناقشة بنية مقترحة، اطلب عرض سعر أو تواصل مع APTPCB؛ وتأكد من توافر المواد والعمليات أثناء إعداد عرض السعر.