آلومینا و نیترید آلومینیوم (AlN) مواد زیرلایه سرامیکی هستند که وقتی یک مجموعه الکتریکی به عایق‌کاری و مسیری کنترل‌شده برای انتقال حرارت نیاز دارد، به کار می‌روند. گریدهای AlN می‌توانند رسانایی حرارتی بالاتری داشته باشند؛ اگر مسیر حرارتی کامل، دمای هدف را تأمین کند، آلومینا نیز ممکن است کافی باشد. پیش از انتخاب، گرید دقیق، ضخامت سرامیک، ساختار مس و آرایش خنک‌کاری را مقایسه کنید.
از منبع حرارت، سطح تماس آن و آرایش خنک‌کاری شروع کنید. سپس گریدهای واقعی سرامیک و ساختارهای زیرلایه را مقایسه کنید. هنگامی که سرامیک بخش قابل‌توجهی از مسیر حرارتی را تشکیل می‌دهد، سرامیکی با رسانایی بالاتر می‌تواند مفید باشد؛ اما نمی‌تواند ضعف انتقال حرارت در همه فصل‌مشترک‌های دیگر مجموعه را جبران کند.
یک برد مدار سرامیکی چندتراشه‌ای برای دمای بالا. منبع: مرکز پژوهشی گلن ناسا. منبع، گرید سرامیک را مشخص نکرده است؛ این تصویر محصول APTPCB نیست.
ابتدا مشخص کنید به چه ساختار سرامیکی نیاز دارید
در یک زیرلایه سرامیکی یکپارچه، سرامیک بدنه عایق زیر هادی را تشکیل می‌دهد. لمینت آلی پرشده با سرامیک ساختار متفاوتی دارد: در آن ذرات سرامیکی با یک سیستم رزینی ترکیب می‌شوند که گاهی تقویت‌کننده شیشه‌ای نیز دارد. هر دو ممکن است در جست‌وجوی مواد الکترونیکی دیده شوند، اما مسیرهای ساخت و خواص آن‌ها را نباید قابل جایگزینی با یکدیگر دانست.
انتخاب خود سرامیک نیز از انتخاب متالیزاسیون آن جداست. اتصال مستقیم مس (DBC) و لحیم‌کاری سخت با فلز فعال (AMB) روش‌هایی برای اتصال فلز به سرامیک هستند. این‌ها نام‌های دیگری برای آلومینا و AlN نیستند. ترکیب قابل‌دسترس سرامیک، مس، هندسه و فرایند اتصال باید برای هر پروژه تأیید شود. در مقایسه DBC و AMB، انتخاب روش اتصال را با جزئیات بیشتری بررسی کرده‌ایم.
مسیر حرارتی کامل را مقایسه کنید
حرارت یک نیمه‌هادی ممکن است پیش از رسیدن به صفحه سرد یا هوای محیط از چندین لایه عبور کند: اتصال دای، مس، سرامیک، یک لایه اتصال دیگر و فصل‌مشترک خنک‌کاری. هر یک در افزایش دما سهم دارد. حرارت همچنین هنگام حرکت پخش می‌شود، بنابراین سطح مؤثر در یک لایه لزوماً با سطح اشغال‌شده توسط دای یکسان نیست.
پیش از مقایسه مقادیر رسانایی، این پرسش‌ها را مطرح کنید:
- قطعه باید چه مقدار حرارت را دفع کند و این حرارت از چه سطحی وارد زیرلایه می‌شود؟
- دمای مجاز در قطعه و در فصل‌مشترک خنک‌کاری چقدر است؟
- ضخامت و خواص حرارتی لایه‌های پیشنهادی سرامیک، مس و اتصال چیست؟
- زیرلایه چگونه به هیت‌سینک یا صفحه سرد متصل می‌شود و چه ماده واسطی برای آن در نظر گرفته شده است؟
- کدام فرض‌ها به مدل حرارتی، اندازه‌گیری نمونه اولیه یا هر دو نیاز دارند؟
اگر محاسبه اولیه نشان دهد که سهم سرامیک در افزایش کل دما نسبتاً کم است، گریدی با رسانایی بالاتر ممکن است کمتر از حد انتظار برای کل سیستم مفید باشد. اگر سرامیک سهم غالب مسیر را داشته باشد، ممکن است بررسی دقیق‌تر AlN ارزشمند باشد. در هر دو حالت، مقایسه به گرید واقعی، ضخامت و شرایط کاری نیاز دارد. راهنمای مواد واسط حرارتی ما بخش دیگری از این مسیر را پوشش می‌دهد.
سهم لایه سرامیکی را برآورد کنید
برای برآورد اولیه انتقال حرارت از یک لایه یکنواخت، رابطه ساده‌شده R = t / (k × A) است؛ در آن R مقاومت حرارتی، t ضخامت لایه، k رسانایی حرارتی و A سطح فرض‌شده عبور حرارت است. افت دما در آن لایه تقریباً برابر است با حاصل‌ضرب نرخ انتقال حرارت در مقاومت حرارتی آن.
برای نمونه، یک لایه با ضخامت 0.5 mm، سطح ثابت عبور حرارت برابر با 100 mm² و نرخ انتقال حرارت 20 W را فرض کنید. دو مقدار فرضی رسانایی، یعنی 25 و 100 W/(m·K)، را مقایسه کنید. این اعداد برای نشان دادن روش محاسبه انتخاب شده‌اند و خواص هیچ گرید مشخصی از آلومینا یا AlN نیستند.
| فرض | تبدیل یا نتیجه |
|---|---|
| ضخامت لایه | 0.5 mm = 0.0005 m |
| سطح عبور حرارت | 100 mm² = 0.0001 m² |
| ماده فرضی، 25 W/(m·K) | 0.0005 / (25 × 0.0001) = 0.20 K/W؛ در 20 W، افت دمای 4°C |
| ماده فرضی، 100 W/(m·K) | 0.0005 / (100 × 0.0001) = 0.05 K/W؛ در 20 W، افت دمای 1°C |
با این فرض‌ها، اختلاف ناشی از خود سرامیک 3°C است. اهمیت این اختلاف به حاشیه دمایی باقی‌مانده قطعه و بقیه مسیر حرارتی آن بستگی دارد. این برآورد مقاومت‌های اتصال دای، مس، فصل‌مشترک حرارتی و خنک‌کاری را در نظر نمی‌گیرد. همچنین جریان حرارت پایا و یک‌بعدی را از سطحی ثابت و با رسانایی ثابت فرض می‌کند؛ در واقعیت، حرارت پخش می‌شود و خواص می‌توانند با دما تغییر کنند. این محاسبه دمای پیوند را پیش‌بینی نمی‌کند. برای مقایسه در یک پروژه، فرض‌ها را با داده‌های گریدها و ساختار پیشنهادی جایگزین کنید.
کاهش ضخامت سرامیک نیز در این معادله ساده‌شده مقاومت را کاهش می‌دهد. با این حال، ضخامت بخشی از طراحی عایق‌کاری و مکانیکی است. پیش از آنکه زیرلایه نازک‌تر را یک گزینه بدانید، درباره ساختار واقعی و تلرانس‌های آن توافق کنید.
هدف دمایی را به مبنایی برای مقایسه تبدیل کنید
از حداکثر دمای مجاز قطعه در شرایط کاری مربوط و دمای مورد انتظار در مرز خنک‌کاری شروع کنید. اختلاف این دو، افزایش دمای مجاز در مسیر مدل‌سازی‌شده است. تلفات قطعه را برآورد کنید و محل ورود آن‌ها به مجموعه را مشخص کنید؛ سپس سهم افزایش دما را میان فصل‌مشترک‌ها، زیرلایه و آرایش خنک‌کاری تخصیص دهید.
خود مرز خنک‌کاری نیز به طراحی مشخصی نیاز دارد. راهنمای هیت‌سینک PCB ارتباط میان برد، ماده واسط و هیت‌سینک را بررسی می‌کند.
اگر نتیجه اولیه به حد مجاز نزدیک است، مشخص کنید کدام ورودی‌ها بیشترین عدم‌قطعیت را دارند. سطح تماس، کیفیت فصل‌مشترک و شرایط خنک‌کاری ممکن است به اندازه‌گیری یا تحلیل حساسیت نیاز داشته باشند. ابتدا سرامیک‌های نامزد را با فرض‌های یکسان مقایسه کنید، سپس آن فرض‌ها را با داده‌های مختص گرید از تأمین‌کنندگان پیشنهادی جایگزین کنید. مقاومت حرارتی محاسبه‌شده کمتر برای سرامیک باید به بررسی دقیق‌تر سیستم منجر شود، نه تأیید خودکار ماده.
چه عوامل دیگری بر تصمیم انتخاب ماده اثر می‌گذارند؟
| موضوع تصمیم‌گیری | موارد مقایسه | پرسش برای تیم پروژه |
|---|---|---|
| عملکرد حرارتی | رسانایی گرید پیشنهادی در شرایط مربوط، ضخامت سرامیک و سطح عبور حرارت | آیا مسیر حرارتی کامل، دمای هدف قطعه را تأمین می‌کند؟ |
| عایق‌کاری الکتریکی | ضخامت زیرلایه، چیدمان هادی‌ها، لبه‌ها، محیط و الزامات آزمون قابل‌اعمال | محصول مونتاژشده به چه سطح ولتاژ و چه شواهدی برای عایق‌کاری نیاز دارد؟ |
| رفتار مکانیکی | گرید سرامیک، الگوی مس، نصب و جابه‌جایی یا چرخه‌های حرارتی مورد انتظار | تنش مکانیکی ممکن است در کجا ایجاد شود و چه شواهدی لازم است؟ |
| ساخت و مونتاژ | متالیزاسیون، پوشش نهایی، هندسه، فرایند اتصال و تلرانس‌ها | آیا ساختار و فرایند مونتاژ پیشنهادی می‌توانند با یکدیگر سازگار باشند؟ |
| تأمین و هزینه | گریدها، ضخامت‌ها، تعدادها و جایگزین‌های تأییدشده موجود | برای چه گزینه‌هایی می‌توان قیمت ارائه کرد و کدام تغییر به تأیید مجدد نیاز دارد؟ |
یک خاصیت دی‌الکتریک ماده توده‌ای برای مقایسه داده‌های مواد مفید است، اما به‌طور خودکار رتبه عایقی یک ماژول مونتاژشده محسوب نمی‌شود. فاصله هادی‌ها، لبه‌ها، آلودگی، ضخامت و الزامات مربوط به محصول همگی اهمیت دارند. به همین ترتیب، نباید بدون ارزیابی ساختار و کاربرد واقعی یک ماده سرامیکی فرض کرد که در برابر ضربه، لرزش یا تغییرات مکرر دما مقاومت می‌کند.
برگه مشخصات سرامیک را همراه با نقشه بخوانید
ممکن است در دو برگه هر دو عبارت «آلومینا» آمده باشد، در حالی که گریدها، نمونه‌های آزمون یا دماهای متفاوتی را توصیف می‌کنند. سازنده و گرید دقیق را ثبت کنید، سپس پیش از وارد کردن یک خاصیت به مدل، شرایط اعلام‌شده را بررسی کنید. اگر رسانایی برای جهت یا دمای خاصی گزارش شده است، آن جزئیات را حفظ کنید؛ اگر برگه آن را مشخص نکرده است، به‌جای وارد کردن مقداری فرضی، سؤال کنید.
برای عایق‌کاری الکتریکی، خاصیت گزارش‌شده، ضخامت نمونه و روش آزمون را یادداشت کنید. برای مقایسه مکانیکی، میان خاصیت ماده که روی نمونه‌ای تعریف‌شده اندازه‌گیری شده و رفتار زیرلایه پس از اتصال مس، برش، مونتاژ و نصب تمایز قائل شوید. یک عدد منفرد برای رسانایی، استحکام یا خاصیت دی‌الکتریک نمی‌تواند جایگزین نقشه مجموعه پیشنهادی شود.
مقایسه باید ساختار مس و پوشش نهایی سطح را نیز مشخص کند. ممکن است یک گرید ماده در اصل مناسب باشد، اما هندسه درخواستی هادی، اندازه زیرلایه یا پوشش نهایی همچنان به بررسی جداگانه ساخت نیاز داشته باشد. نقشه و مشخصات ماده را با هم ارسال کنید تا تأمین‌کننده بتواند الزامات ناقص یا ناسازگار را مشخص کند.
جابه‌جایی و چرخه‌های حرارتی را از ابتدا در نظر بگیرید
زیرلایه‌های سرامیکی در مراحل ساخت، حمل‌ونقل، مونتاژ و بهره‌برداری به توجه نسبت به بارهای مکانیکی نیاز دارند. بپرسید زیرلایه در کجا تکیه‌گاه دارد، چگونه به سطح خنک‌کننده مهار می‌شود و آیا پیچ، کانکتور یا کابل می‌تواند بار موضعی وارد کند. مواد اتصال پیشنهادی و دماهای مورد انتظار در مونتاژ را مستند کنید.
مس، سرامیک و مواد مجاور ممکن است به تغییرات دما واکنش متفاوتی نشان دهند. رفتار حاصل به ساختار کامل، از جمله الگو و ضخامت مس، گرید سرامیک، فصل‌مشترک‌ها و مواجهه حرارتی بستگی دارد. ضریب انبساط یک ماده به‌تنهایی مبنای محاسبه عمر نیست. اگر کاربرد به شواهد مربوط به چرخه‌های حرارتی نیاز دارد، پیکربندی مجموعه، پروفیل دما یا توان، روش بازرسی و معیارهای پذیرش پروژه را تعریف کنید.
آلومینا و AlN نیز باید به‌صورت زیرلایه‌های نهایی متالیزه‌شده ارزیابی شوند، نه اینکه صرفاً بر اساس سرامیک بدون پوشش درباره آن‌ها قضاوت شود. دستورالعمل‌های جابه‌جایی، تمیزکاری، نگهداری و مونتاژ متناسب با ساختار واقعی را درخواست کنید. نباید فرض کرد روشی که برای یک گرید یا مسیر متالیزاسیون مناسب است، برای همه گزینه‌های دیگر نیز کاربرد دارد.
هرجا طراحی به اتصال با لحیم نیاز دارد، پوشش نهایی و پروفیل حرارتی پیشنهادی را با تیم مونتاژ بررسی کنید. راهنمای لحیم‌کاری روی سرامیک ملاحظات اتصال را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کند.
چه چیزی می‌تواند تصمیم را تغییر دهد؟
اگر مدل حرارتی نشان دهد که فصل‌مشترک با صفحه سرد عامل بیشتر افزایش دماست، بهبود آن فصل‌مشترک ممکن است از تغییر سرامیک مفیدتر باشد. اگر سهم سرامیک زیاد باشد، تیم می‌تواند گریدی با رسانایی بالاتر را در برابر هزینه اضافی و سایر محدودیت‌های طراحی مقایسه کند. هر یک از این نتایج همچنان باید در برابر الزامات عایق‌کاری، نصب و ساخت بررسی شود.
اگر تنها یک ماده در ضخامت و ساختار مس موردنیاز موجود باشد، تصمیم عملی ممکن است به بازنگری در ساختار لایه‌ای یا تغییر روش خنک‌کاری معطوف شود. ثبت کنید کدام الزام باعث این تغییر شده است و پیش از جایگزینی یک گرید مشخص‌شده، تأیید بگیرید. جایگزینی که در جدول خواص حرارتی مشابه به نظر می‌رسد ممکن است به فرایند متفاوت یا شواهد جدیدی برای احراز صلاحیت نیاز داشته باشد.
اطلاعاتی که باید در استعلام گنجانده شود
ماده موردنظر یا جایگزین‌های آن، ضخامت و تلرانس سرامیک، الگوی هادی و الزامات مس، و پوشش نهایی سطح موردنیاز را ارائه کنید. بار حرارتی و فصل‌مشترک خنک‌کاری، ولتاژ و محیط کاری، آرایش نصب، و هرگونه چرخه حرارتی مورد انتظار در مونتاژ یا بهره‌برداری را نیز اضافه کنید.
مشخص کنید کدام الزامات ثابت هستند و کدام‌ها قابل مذاکره‌اند. بپرسید چه گریدهای ماده و گزینه‌های ساختاری برای سفارش موجود است، چه داده‌هایی برای هر گزینه کاربرد دارد و جایگزین‌های پیشنهادی چگونه تأیید خواهند شد. اگر ساختار لایه‌ای یا مشخصات ماده موجودی دارید، نسخه بازنگری آن و هر نقشه مرتبط را نیز ضمیمه کنید.
برای مقایسه‌های گسترده‌تر، از راهنمای انتخاب مواد PCB شروع کنید. برای بررسی یک ساختار پیشنهادی، درخواست قیمت کنید یا با APTPCB تماس بگیرید؛ موجود بودن مواد و فرایندها را هنگام دریافت قیمت تأیید کنید.