Mỡ tản nhiệt cho mô-đun nguồn: Hướng dẫn lựa chọn

Mỡ tản nhiệt dành cho mô-đun công suất có tác dụng lấp đầy các khe hở vi mô giữa tấm đế mô-đun và bộ tản nhiệt hoặc tấm làm mát bằng chất lỏng. Bằng cách thay thế không khí bị kẹt bằng vật liệu có độ dẫn nhiệt cao hơn, nó giúp giảm điện trở giao diện và hỗ trợ tản nhiệt khỏi các linh kiện IGBT, MOSFET SiC và mô-đun công suất thông minh. Sản phẩm phù hợp không chỉ đơn thuần là loại mỡ có hệ số dẫn nhiệt (W/mK) cao nhất. Đó là loại mỡ có thể tạo ra một lớp tiếp xúc mỏng, hoàn chỉnh và ổn định trong quá trình lắp ráp thực tế.

Sự khác biệt đó rất quan trọng. Một hợp chất tốt vẫn có thể hoạt động kém hiệu quả nếu bộ tản nhiệt không đồng đều, lớp phủ quá dày, trình tự vặn vít làm cong tấm đế hoặc chất bôi trơn bị dịch chuyển trong quá trình thay đổi nhiệt độ. Nói cách khác, mô-đun, chất bôi trơn, bề mặt tản nhiệt, bộ phận lắp đặt và quy trình thi công hoạt động như một hệ thống thống nhất.

Hướng dẫn này giải thích cách lựa chọn hệ thống đó. Nội dung bao gồm các tính chất vật liệu cần so sánh, việc kiểm soát đường nối một cách thực tế, in khuôn, các dạng hỏng hóc thường gặp, các giải pháp thay thế, tiêu chuẩn và quy trình chứng nhận sản xuất. Luôn coi hướng dẫn lắp đặt của nhà sản xuất mô-đun là cơ sở cuối cùng để xác định các yêu cầu về hình học và cách gắn kết.

Chất bôi trơn tản nhiệt có tác dụng gì trong cụm mô-đun nguồn?

Mỡ tản nhiệt không tự nó làm mát mô-đun. Nó giúp cải thiện độ tiếp xúc tại giao diện giữa mô-đun và bộ tản nhiệt. Ngay cả các bề mặt kim loại đã qua gia công cũng có những chỗ lồi, chỗ lõm và những sai lệch hình dạng nhỏ. Khi hai bề mặt khô được kẹp chặt vào nhau, những bất thường đó sẽ giữ lại không khí cách nhiệt. Keo tản nhiệt làm ướt các bề mặt và lấp đầy các khe hở nhỏ, tạo ra một đường dẫn nhiệt liên tục hơn.

Đường truyền nhiệt từ điểm nối bán dẫn đến chất làm mát hoặc không khí

Nhiệt bắt đầu hình thành tại điểm nối bán dẫn. Sau đó, nhiệt truyền qua lớp gắn chip, chất nền, các dây dẫn bên trong và tấm đế (nếu có). Từ đó, nhiệt đi qua vật liệu giao diện nhiệt và đi vào bộ tản nhiệt hoặc tấm làm mát. Cuối cùng, nhiệt được truyền vào không khí hoặc chất làm mát.

Chất bôi trơn chỉ chiếm một phần rất mỏng của đường dẫn đó, nhưng nó có thể trở thành điểm nghẽn. Hãy hình dung nó giống như một miếng đệm giữa hai đoạn ống. Miếng đệm này tuy ngắn, nhưng nếu không khít thì có thể làm hạn chế toàn bộ dòng chảy.

Các kỹ sư thường theo dõi một số thành phần điện trở sau:

• Rth(j-c): Điện trở nhiệt từ điểm nối đến vỏ bên trong mô-đun.
• Rth(c-h): Điện trở giữa vỏ và bộ tản nhiệt, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ bề mặt tiếp xúc.
• Rth(h-a) hoặc điện trở giữa bộ làm mát và chất lỏng: lượng nhiệt tỏa ra từ thiết bị làm mát.
• Rth(j-a): toàn bộ đường dẫn từ điểm nối đến môi trường xung quanh.

Việc lựa chọn chất bôi trơn chủ yếu ảnh hưởng đến Rth(c-h), nhưng vấn đề về nhiệt độ vẫn cần được kiểm tra trên toàn bộ hệ thống tản nhiệt. Ngay cả khi sử dụng chất dẫn nhiệt (TIM) tốt hơn cũng không thể khắc phục được tình trạng tấm tản nhiệt có kích thước quá nhỏ hoặc lưu lượng chất làm mát kém.

Các mô-đun có tấm đế và không có tấm đế đòi hỏi cách tiếp cận khác nhau

Một mô-đun IGBT thông thường có thể có tấm đế kim loại giúp tản nhiệt và làm bề mặt lắp đặt. Một số mô-đun SiC thế hệ mới sử dụng tấm đế mỏng hơn, cấu trúc gốm lộ ra ngoài hoặc thiết kế không có tấm đế để giảm khối lượng nhiệt và điện trở bên trong. Những thiết kế này có thể nhạy cảm hơn với áp lực cục bộ, độ phẳng và các yêu cầu về cách điện.

Đừng cho rằng mỡ tản nhiệt có tác dụng cách điện. Nhiều loại mỡ tản nhiệt không dẫn điện, nhưng lớp mỡ mỏng đó không tự động trở thành rào cản điện môi được chứng nhận. Nếu cách điện là một phần của thiết kế an toàn, hãy kiểm tra cấu tạo của mô-đun và sử dụng giải pháp cách điện đạt tiêu chuẩn.

Để có cái nhìn tổng quan hơn về mỡ bôi trơn, miếng đệm, gel và các loại khác vật liệu giao diện nhiệt, hãy bắt đầu bằng việc xem xét khoảng cách thực tế và kiến trúc điện trước khi chọn định dạng.

Hãy bắt đầu từ giao diện, chứ không phải từ chỉ số độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt mô tả mức độ dễ dàng mà nhiệt truyền qua vật liệu. Thông số này rất hữu ích, nhưng không phản ánh được tình trạng tiếp xúc bề mặt, độ dày cuối cùng hay quá trình lão hóa. Điện trở giao diện ở cấp độ lắp ráp là tổng của điện trở trong vật liệu và điện trở tiếp xúc tại cả hai bề mặt. Một loại mỡ có độ dẫn nhiệt trung bình nhưng có thể lan tỏa thành một lớp màng mỏng và liên tục có thể mang lại hiệu quả tốt hơn so với sản phẩm có giá trị W/mK cao hơn nhưng vẫn giữ độ dày hoặc để lại các khoảng trống.

Đối với một lớp đồng nhất đơn giản:

R = t / (k × A)

Địa điểm:

• R là điện trở nhiệt tổng thể.
• t là độ dày của đường liên kết.
• k là độ dẫn nhiệt.
• A là diện tích tiếp xúc hiệu dụng.

Phương trình này rất hữu ích, nhưng các mối nối thực tế lại tạo ra điện trở tiếp xúc. Độ nhám bề mặt, hiện tượng thấm ướt, áp suất và hình dạng chất độn đều ảnh hưởng đến điện trở bổ sung này. Đây là lý do tại sao không bao giờ nên chỉ dựa vào giá trị độ dẫn điện trong bảng thông số kỹ thuật để dự đoán nhiệt độ mối nối.

Sự khác biệt giữa độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt đặc biệt hữu ích trong giai đoạn tầm soát sớm.

Bảy yếu tố cần xem xét khi lựa chọn mỡ tản nhiệt cho các mô-đun nguồn

Chất bôi trơn tốt nhất cho mô-đun nguồn là loại vật liệu có thể đạt được nhiệt độ yêu cầu, đồng thời đảm bảo tính ổn định trong quá trình sản xuất và tuổi thọ chấp nhận được. Việc lựa chọn cần cân nhắc tổng hợp các yếu tố như điện trở nhiệt tại bề mặt tiếp xúc, độ dày lớp kết dính có thể đạt được, tính lưu biến, độ ổn định nhiệt, khả năng chống di chuyển, tính tương thích và khả năng kiểm soát nguồn cung. Một thông số ấn tượng nào đó không thể thay thế được sự cân bằng này.

1. Điện trở nhiệt ở cấp độ mạch tích hợp

Hãy yêu cầu cung cấp dữ liệu về trở kháng nhiệt hoặc điện trở được đo ở độ dày, áp suất và nhiệt độ đã nêu. Thiết bị thử nghiệm và độ nhám bề mặt đều có ảnh hưởng, do đó hãy so sánh các điều kiện tương đương với nhau. Nếu các nhà cung cấp sử dụng các phương pháp khác nhau, thứ hạng có thể phản ánh cả phương pháp thử nghiệm lẫn thành phần vật liệu.

Một bài kiểm tra sàng lọc thực tế sử dụng các bề mặt kim loại đại diện và một số đường nối. Bài kiểm tra phê duyệt cuối cùng sử dụng mô-đun nguồn và bộ tản nhiệt thực tế. Ghi lại nhiệt độ chất làm mát hoặc bộ tản nhiệt, nhiệt độ vỏ mô-đun và chỉ số nhiệt độ điện có thể lặp lại (nếu có).

2. Độ dày đường nối có thể đạt được

Mỡ bôi trơn phát huy hiệu quả tốt nhất khi có độ loãng vừa đủ để hạn chế lực cản do độ dày, nhưng lại đủ đặc để lấp đầy các biến động thực tế trên bề mặt. Độ dày lớp liên kết có thể đạt được phụ thuộc vào:

• Độ phẳng của mô-đun và bề mặt tản nhiệt.
• Độ nhám bề mặt và độ gợn sóng.
• Áp lực lắp đặt và vị trí các ốc vít.
• Độ nhớt của mỡ bôi trơn, ứng suất chảy và kích thước hạt chất độn.
• Mẫu khuôn, thể tích lắng đọng và dòng chảy ép.

The Ảnh hưởng của độ dày đường nối đến hiệu suất nhiệt thường lớn hơn so với dự kiến của người mua. Không nên chọn độ dày lớp phủ danh nghĩa trước khi nghiên cứu mối nối đã được lắp ráp.

3. Độ nhớt, tính thixotropic và khả năng in bằng khuôn

Độ nhớt chỉ là một hình ảnh thoáng qua về sức cản dòng chảy. Tính thixotropic mô tả cách một vật liệu thay đổi dưới tác động của lực cắt và sau đó phục hồi lại trạng thái ban đầu khi lực đó được loại bỏ. Một loại mỡ in được phải lấp đầy các lỗ trên khuôn in, tách ra một cách gọn gàng, giữ nguyên hoa văn trước khi lắp ráp và lan tỏa dưới lực kẹp mà không bị chảy lan ra khắp nơi.

Đối với quá trình phân phối tự động, cần kiểm tra độ ổn định áp suất, tính liên tục của dòng chất lỏng, kích thước vòi phun, hiện tượng lắng cặn của chất độn và quá trình khởi động sau thời gian ngừng hoạt động. Đối với in khuôn, cần kiểm tra tốc độ và góc nghiêng của lưỡi gạt, độ dày khuôn, hình dạng lỗ khuôn và khả năng tách khuôn. Một loại vật liệu có thể sở hữu các thông số nhiệt tuyệt vời nhưng vẫn gây ra nhiều rắc rối trên dây chuyền sản xuất. Điều này xảy ra thường xuyên hơn mức mà ai cũng muốn thừa nhận.

4. Phạm vi nhiệt độ hoạt động và nhiệt độ cực đại

Các mô-đun nguồn phải chịu nhiệt độ ổn định, tình trạng quá tải ngắn hạn và các chu kỳ bật/tắt nguồn lặp đi lặp lại. Dải nhiệt độ rộng được nêu trong bảng thông số kỹ thuật không đảm bảo độ ổn định của độ nhớt hoặc điện trở giao diện trong suốt nhiều năm hoạt động theo chu kỳ.

Xác định hồ sơ thực tế:

• Trường hợp bình thường và nhiệt độ thấp hơn.
• Nhiệt độ liên tục tối đa.
• Nhiệt độ cao nhất trong thời gian ngắn.
• Tần suất khởi động và tắt máy.
• Biến động nhiệt độ và thời gian duy trì nhiệt độ.
• Tuổi thọ dự kiến.

Nếu có thể, hãy yêu cầu cung cấp dữ liệu sau quá trình lão hóa. Sau đó, hãy lặp lại phép đo nhiệt độ sau chu kỳ, chứ không chỉ trước khi thực hiện chu kỳ.

5. Bơm xả, làm khô, xả dầu và độ bay hơi

Các thuật ngữ này dùng để chỉ các vấn đề khác nhau:

• Hút chất thải là hiện tượng chuyển động của vật liệu do sự giãn nở, co lại và thay đổi áp suất lặp đi lặp lại gây ra.
• Quá trình làm khô là hiện tượng mất đi hoặc phân bố lại chất lỏng mang cho đến khi bề mặt tiếp xúc trở nên giàu chất độn và kém đàn hồi hơn.
• Xả dầu là sự tách biệt hoặc di chuyển có thể quan sát được của pha lỏng.
• Biến động là hiện tượng mất đi các thành phần có trọng lượng phân tử thấp, được thúc đẩy bởi nhiệt độ cao hoặc áp suất thấp.

Sau khi vận hành, hãy kiểm tra xem lớp mỡ bôi trơn có phủ đều và ổn định xung quanh các khu vực chịu nhiệt cao và các mép hay không. Loại mỡ bôi trơn ban đầu có độ ma sát thấp nhưng lại bị trôi ra khỏi vùng hoạt động sẽ không phải là giải pháp có độ ma sát thấp trong quá trình sử dụng.

6. Tính tương thích về điện và hóa học

Xác nhận xem chất bôi trơn có tính cách điện, dẫn điện nhẹ hay chỉ được thiết kế để tiếp xúc nhiệt. Đồng thời, cần xem xét tương tác của chất bôi trơn với các lớp phủ, nhựa, nhãn mác, gioăng, đầu nối và chất tẩy rửa. Hiện tượng di chuyển của dầu silicone có thể không được chấp nhận khi ở gần các bề mặt quang học, các điểm tiếp xúc của rơle, hoặc trong các quy trình sơn hoặc dán kết. Trong những trường hợp đó, cần đánh giá một mỡ tản nhiệt không chứa silicone hoặc một loại TIM khác được tổng hợp theo phương pháp hóa học có kiểm soát.

7. Kiểm soát sản xuất và cung ứng

Nhà cung cấp cần cung cấp nhiều hơn một ống tiêm mẫu. Các yêu cầu về kế hoạch sản xuất:

• Bao bì phù hợp với thiết bị in ấn hoặc phân phối.
• Nhiệt độ bảo quản và thời hạn sử dụng.
• Hướng dẫn xử lý, trộn hoặc tách khí.
• Dữ liệu truy xuất nguồn gốc theo lô và dữ liệu chứng chỉ.
• Kiểm soát tính lưu biến và nhiệt độ giữa các lô.
• Chính sách thông báo thay đổi.
• Hỗ trợ kỹ thuật cho các thử nghiệm khuôn mẫu và xác nhận.

Lớp mỡ tản nhiệt trên mô-đun công suất IGBT hoặc SiC nên dày bao nhiêu?

Không có độ dày lớp mỡ bôi trơn chung nào áp dụng cho mọi mô-đun công suất IGBT hoặc SiC. Nhiều ví dụ từ các nhà sản xuất cho thấy độ dày này nằm trong khoảng từ vài chục đến vài trăm micromet, nhưng giá trị được phê duyệt phụ thuộc vào từng mô-đun cụ thể, bề mặt bộ tản nhiệt và cách thức ứng dụng. Hãy tuân thủ tài liệu hướng dẫn lắp đặt mô-đun, sau đó kiểm tra lại giao diện nén và kết quả tản nhiệt.

Ví dụ, Fuji Electric đã công bố hướng dẫn khoảng 100 micromet cho một số mô-đun IGBT công nghiệp được chọn, bao gồm một ví dụ là 100 ± 30 micromet. Tài liệu của Mitsubishi đề cập đến khoảng 50–100 micromet cho một số dòng mô-đun, trong khi các dòng khác sử dụng phạm vi rộng hơn. Microchip đã ghi nhận giá trị tối thiểu cho một mô-đun và phương pháp cụ thể. Những con số này chỉ là ví dụ, không phải là quy tắc chung của ngành.

Cũng cần phân biệt độ dày lớp phủ với đường nối sau khi lắp ráp. Khuôn in tạo ra một lớp phủ có hoa văn với các khoảng trống. Trong quá trình lắp ráp, chất bôi trơn lan rộng và các đỉnh lớp phủ bị xẹp xuống. Việc chỉ đo độ dày của khuôn in sẽ không phản ánh được giao diện cuối cùng.

Một ước tính đơn giản về lượng mỡ bôi trơn

Để có một ước tính ban đầu:

Khối lượng = diện tích được phủ × độ dày lớp phủ trung bình × mật độ

Giả sử một mẫu in có diện tích phủ hiệu dụng là 90 cm², độ dày lớp phủ trung bình là 0,010 cm và mật độ chất bôi trơn là 2,6 g/cm³:

Khối lượng = 90 × 0,010 × 2,6 = 2,34 g

Đây là số liệu ban đầu của quy trình, không phải là thông số kỹ thuật đã được phê duyệt. Kích thước lỗ khuôn, lượng vật liệu tràn ra ngoài và đường nối sau khi lắp ráp sẽ ảnh hưởng đến kết quả thực tế. Việc cân mô-đun trước và sau khi in là một biện pháp kiểm tra sản xuất hữu ích vì nó đo lường khối lượng vật liệu được phủ lên một cách nhất quán hơn so với việc đánh giá bằng mắt thường.

The Hướng dẫn lắp đặt của Fuji Electric Giải thích lý do tại sao độ dày lớp mỡ bôi trơn, độ phẳng của bộ tản nhiệt, độ nhám bề mặt và các chi tiết gắn kết cần được xem xét một cách tổng thể.

Độ phẳng, độ nhám và áp lực lắp đặt của bộ tản nhiệt là những yếu tố cần xem xét khi lựa chọn chất dẫn nhiệt (TIM)

Bề mặt làm mát có thể khiến chất bôi trơn phù hợp trông không đạt yêu cầu. Sai số phẳng quá mức sẽ tạo ra các vùng dày cục bộ hoặc tiếp xúc khô. Độ nhám làm tăng thể tích cần thiết để lấp đầy các khe rãnh trên bề mặt. Việc siết chặt không đồng đều sẽ làm thay đổi áp suất và có thể gây biến dạng tấm đế mô-đun. Cần xác định rõ các điều kiện cơ học này trước khi cố định chất bôi trơn và khuôn in.

Độ phẳng và độ nhám

Độ phẳng mô tả sai số hình dạng tổng thể trên toàn bộ khu vực lắp đặt. Độ nhám mô tả các vết gồ ghề nhỏ do quá trình gia công để lại. Cả hai yếu tố này đều ảnh hưởng đến sự tiếp xúc, nhưng theo những cách khác nhau. Một bề mặt đã được đánh bóng vẫn có thể bị cong, và một bề mặt phẳng vẫn có thể quá nhám.

Hãy kiểm tra toàn bộ diện tích bề mặt của mô-đun, chứ không chỉ một vùng nhỏ thuận tiện nào đó. Các nhà sản xuất mô-đun thường quy định các tiêu chuẩn về độ phẳng và độ nhám cho sản phẩm của họ. Hãy sử dụng các giới hạn do họ đưa ra thay vì sao chép một con số từ dòng sản phẩm mô-đun khác.

Mô-men xoắn và trình tự siết chặt

Thông thường, các vít lắp đặt nên được siết chặt theo từng bước dần dần và theo trình tự do nhà cung cấp mô-đun quy định. Việc kéo một góc xuống hoàn toàn trước các góc còn lại có thể làm mô-đun bị nghiêng hoặc cong, khiến mỡ bị kẹt lại và tạo ra đường nối không đều.

Kiểm soát dụng cụ, mô-men xoắn, tình trạng vít, chồng vòng đệm và bề mặt lắp ghép. Đối với các mẫu thử, hãy đánh dấu thứ tự và ghi lại giá trị mô-men xoắn thực tế. Nghe có vẻ đơn giản, nhưng đây chính là nơi những sai lệch nhỏ nhặt có thể len lỏi vào.

Kiểm tra mẫu tiếp xúc

Lắp ráp các cụm kiểm tra thử nghiệm. Áp dụng mẫu đã chỉ định, lắp mô-đun vào, sau đó tháo ra cẩn thận và kiểm tra quá trình chuyển chất lên cả hai bề mặt. Kiểm tra xem có các vùng chưa được phủ kín, không khí bị kẹt, hiện tượng thiếu chất phủ ở mép và hiện tượng chất phủ tràn ra quá mức hay không.

Kết hợp kiểm tra trực quan với bản đồ nhiệt, cặp nhiệt điện hoặc một thông số điện nhạy cảm với nhiệt độ đặc trưng cho từng mô-đun. Mô hình phân bố nhiệt đẹp mắt tuy hữu ích, nhưng kết quả nhiệt vẫn là yếu tố quyết định.

In bằng khuôn so với in bằng con lăn, thìa và hệ thống phân phối tự động

In khuôn được sử dụng rộng rãi cho các mô-đun nguồn vì phương pháp này giúp kiểm soát vị trí và lượng chất bôi trơn được phủ trên một tấm đế có diện tích lớn. Mẫu thiết kế riêng cho từng mô-đun cho phép chất bôi trơn lan tỏa thành một lớp mỏng đồng thời tạo ra các khe hở để không khí thoát ra. Con lăn và thìa có thể được sử dụng trong các mẫu thử nghiệm, nhưng chúng gây ra nhiều sai lệch do sự khác biệt trong thao tác của người vận hành. Việc phân phối tự động sẽ phát huy hiệu quả khi mẫu và vật liệu được thiết kế đồng bộ với nhau.

Tại sao kỹ thuật in khuôn lại được đề cập trong hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM)

Các mô-đun nguồn có kích thước lớn hơn và cấu tạo cơ học khác biệt so với các bộ vi xử lý dành cho máy tính để bàn. Một mẫu chấm hoặc chữ X trông có vẻ ổn trong một video nghiệp dư không phải là phương pháp sản xuất dành cho tấm đế IGBT có kích thước rộng.

Một khuôn in có thể mang lại:

• Khối lượng lắng đọng lặp lại được.
• Kiểm soát vùng cấm xung quanh các lỗ và các cạnh.
• Các hòn đảo hoặc tuyến đường được xác định để rải phân bón.
• Kiểm tra nhanh hơn và đào tạo nhân viên vận hành.
• Mối quan hệ có thể đo lường được giữa khẩu độ, độ dày khuôn và lượng vật liệu lắng đọng.

Của Infineon Hướng dẫn ứng dụng về khuôn in lụa minh họa tính chất đặc thù theo từng mô-đun của hình học khuôn và kiểm soát quy trình.

Khi một phương pháp khác có thể được chấp nhận

Con lăn hoặc thìa phết có thể điều chỉnh được có thể là giải pháp thiết thực cho các thử nghiệm kỹ thuật, công việc bảo trì hoặc sản xuất với số lượng nhỏ, miễn là nhà sản xuất mô-đun cho phép. Phương pháp bôi chất dẫn nhiệt có thể phù hợp với dây chuyền tự động nếu các vệt chất dẫn nhiệt hợp nhất thành lớp phủ hoàn toàn mà không bị kẹt khí. Việc sử dụng chất dẫn nhiệt (TIM) đã được bôi sẵn có thể loại bỏ hoàn toàn một công đoạn in ấn nội bộ.

Dù sử dụng phương pháp nào, cũng cần xác định khối lượng vật liệu phủ, vị trí, tiêu chí kiểm tra và kết quả sau khi lắp đặt. “Phủ một lớp mỏng” là một hướng dẫn, nhưng chưa phải là một quy trình.

Quy trình sản xuất thực tế

1. Kiểm tra đế mô-đun và bề mặt tản nhiệt xem có bị hư hỏng hoặc bám bẩn hay không.
2. Lau chùi cả hai bề mặt bằng các vật liệu được phê duyệt và để chúng khô.
3. Hãy bảo quản mỡ bôi trơn theo hướng dẫn bảo quản và xử lý của sản phẩm.
4. Căn chỉnh khuôn in hoặc thiết bị phân phối dành riêng cho mô-đun.
5. In hoặc phân phối theo mẫu đã được kiểm soát.
6. Kiểm tra vị trí, tính đầy đủ và khối lượng đã nạp.
7. Lắp mô-đun theo trình tự vặn vít và các mức mô-men xoắn đã quy định.
8. Kiểm tra mẫu truyền nhiệt và hiệu suất nhiệt trên các mẫu thử nghiệm.

Để tìm hiểu thông tin cơ bản về cách xử lý nói chung, hãy tham khảo hướng dẫn của Haktak về bôi keo tản nhiệt.

Các dạng hỏng hóc thường gặp của mỡ tản nhiệt trong điện tử công suất

Hầu hết các sự cố liên quan đến keo tản nhiệt đều là sự cố ở bề mặt tiếp xúc, chứ không phải do sự suy giảm nghiêm trọng của vật liệu. Các dấu hiệu thường gặp bao gồm nhiệt độ tăng cao hoặc không ổn định, các vùng trông khô, hiện tượng tích tụ ở mép, keo bị ép ra ngoài hoặc nhiễm bẩn. Nguyên nhân gốc rễ có thể nằm ở lượng keo, khuôn in, bề mặt, quy trình lắp đặt, quá trình lão hóa hoặc thiết bị làm mát. Hãy phân tích kỹ các dấu hiệu trước khi quy kết lỗi cho lọ keo.

Quá nhiều dầu mỡ

Một lớp mỡ quá dày sẽ làm tăng sức cản nhiệt. Nó cũng có thể tràn ra ngoài tấm đế, làm bẩn các bề mặt lân cận hoặc gây cản trở cho việc bảo trì. Dùng nhiều mỡ hơn không có nghĩa là làm mát tốt hơn. Chất bôi trơn này được sử dụng để thay thế không khí, chứ không phải để trở thành một lớp dày giúp tản nhiệt.

Lượng mỡ bôi trơn quá ít hoặc không thấm đều

Lượng chất hàn không đủ có thể dẫn đến hình thành các túi khí, đặc biệt là trên tấm đế bị cong hoặc bộ tản nhiệt có bề mặt gồ ghề. Các vùng khô cục bộ có thể tạo ra các điểm nóng ngay cả khi nhiệt độ trung bình của mô-đun có vẻ ở mức chấp nhận được. Việc chất hàn không bong ra khỏi khuôn đúng cách hoặc dòng chất hàn bị gián đoạn cũng có thể gây ra hiện tượng tương tự.

Quá trình bơm thải và tích tụ ở mép

Trong mỗi chu kỳ gia nhiệt và làm mát, mô-đun và bộ tản nhiệt giãn nở với mức độ khác nhau. Sự dịch chuyển tương đối nhỏ giữa chúng có thể đẩy chất bôi trơn có độ ổn định thấp ra khỏi các vùng hoạt động. Sau nhiều chu kỳ, chất bôi trơn có thể tích tụ gần các mép trong khi phần trung tâm trở nên mỏng đi hoặc khô cứng.

Quá trình khô, tách dầu và sự thay đổi độ nhớt

Nhiệt có thể làm phân bố lại hoặc loại bỏ chất lỏng mang. Lớp còn lại giàu chất độn sẽ kém khả năng bám ướt trên các bề mặt thay đổi. Dầu rò rỉ cũng có thể di chuyển ra ngoài giao diện. Kiểm tra khối lượng, hình thức và điện trở nhiệt trước và sau quá trình lão hóa.

Kiểm soát bề mặt hoặc lắp đặt kém

Sự biến động về độ phẳng, độ nhám, quá trình làm sạch, mô-men xoắn vít và độ chính xác căn chỉnh khuôn thường được nhầm lẫn với sự biến động về vật liệu. Một nghiên cứu nguyên nhân gốc rễ hiệu quả cần so sánh các dữ liệu này với dữ liệu nhiệt theo số sê-ri.

Mỡ tản nhiệt so với vật liệu thay đổi pha, miếng tản nhiệt và than chì

Mỡ tản nhiệt thường phát huy hiệu quả cao nhất tại các bề mặt tiếp xúc mỏng, được kẹp chặt và đòi hỏi khả năng thấm ướt tuyệt vời. Tuy nhiên, nó không phải lúc nào cũng là lựa chọn tối ưu cho mọi mô-đun. Vật liệu thay đổi pha có thể giúp đơn giản hóa quy trình xử lý; miếng đệm có thể lấp đầy các khe hở lớn hơn hoặc cung cấp khả năng cách nhiệt được thiết kế chuyên biệt; còn than chì có thể phân tán nhiệt theo hướng ngang. Hãy so sánh các yếu tố như hình học thực tế, yêu cầu về điện, quy trình sản xuất và vòng đời sản phẩm.

A vật liệu giao diện nhiệt thay đổi pha Có thể là lựa chọn hấp dẫn khi cần một quy trình tiền xử lý sạch sẽ và khả năng chống lại sự di chuyển của dầu mỡ tốt hơn. Cần xác minh nhiệt độ kích hoạt, áp suất và diện tích tiếp xúc bề mặt.

Miếng đệm rất hữu ích khi có khe hở có thể đo lường được hoặc sự chênh lệch chiều cao giữa các bộ phận. Chúng không thể thay thế trực tiếp cho mối nối mỡ mỏng nếu không có sự điều chỉnh thiết kế. Than chì có tính dị hướng cao: độ dẫn điện ngang tuyệt vời không đồng nghĩa với việc điện trở giao diện xuyên mặt phẳng thấp.

Các ví dụ ứng dụng trong lĩnh vực điện tử công suất

Mỡ bôi trơn cho mô-đun công suất được sử dụng trong các bộ biến tần truyền động, bộ điều khiển công nghiệp, bộ chuyển đổi năng lượng tái tạo, hệ thống UPS và các thiết bị dòng điện cao khác. Nguyên tắc lựa chọn tương tự nhau, nhưng loại ứng suất chủ yếu lại khác nhau. Các hệ thống ô tô chú trọng đến khả năng chịu được chu kỳ hoạt động khắc nghiệt và kiểm soát ô nhiễm. Các hệ thống công nghiệp có thể ưu tiên tuổi thọ dài, khả năng sửa chữa và tính lặp lại của quy trình. Thiết bị năng lượng tái tạo còn phải đáp ứng các điều kiện môi trường đa dạng và yêu cầu vận hành từ xa.

Biến tần truyền động điện và bộ sạc tích hợp trên xe điện

Một bộ biến tần xe điện có thể sử dụng các mô-đun SiC hoặc IGBT được lắp đặt trên tấm làm mát bằng chất lỏng. Mật độ công suất cao khiến những thay đổi nhỏ ở bề mặt tiếp xúc cũng có thể ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ điểm tiếp giáp. Quá trình kiểm định cần kết hợp các yếu tố như điều kiện chất làm mát, chu kỳ công suất, rung động và tính tương thích hóa học. Chất bôi trơn cũng phải phù hợp với quy trình lắp ráp ô tô được kiểm soát chặt chẽ.

Hệ thống truyền động động cơ công nghiệp và hệ thống servo

Các bộ truyền động công nghiệp hoạt động trong thời gian dài và có thể phải chịu tác động của bụi, rung động cũng như việc bảo trì không đều đặn. Việc áp dụng khuôn in một cách nhất quán và khả năng chịu nhiệt ổn định thường mang lại hiệu quả cao hơn so với việc chỉ tập trung vào mức độ dẫn điện cao nhất được ghi trong danh mục sản phẩm. Các quy trình sửa chữa và thay thế tại hiện trường nên sử dụng cùng một lượng vật liệu được kiểm soát chặt chẽ như trong quá trình sản xuất.

Biến tần năng lượng mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng (PCS)

Các hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời và pin phải chịu các chu kỳ nhiệt độ hàng ngày cũng như sự dao động lớn của nhiệt độ môi trường xung quanh. Việc kiểm tra hệ thống bơm thoát nước và chống khô cần được chú trọng. Hướng dẫn của Haktak về keo tản nhiệt cho bộ biến tần bài viết này phân tích bối cảnh hoạt động này một cách chi tiết hơn.

Bộ nguồn UPS, thiết bị hàn và bộ nguồn công suất cao

Các hệ thống này có thể phải chịu tải quá độ cao và sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí cưỡng bức hoặc chất lỏng. Cần kiểm tra nhiệt độ cực đại trong điều kiện tải đỉnh, áp suất lắp đặt và công suất làm mát. Tình trạng quá tải trong thời gian ngắn có thể chấp nhận được về mặt điện nhưng vẫn có thể gây ra sự dao động nhiệt độ nghiêm trọng tại bề mặt tiếp xúc.

Các tiêu chuẩn kiểm thử và kế hoạch đánh giá năng lực thực tế

Không có chứng chỉ nào riêng lẻ có thể chứng minh rằng chất bôi trơn tản nhiệt sẽ hoạt động hiệu quả dưới mô-đun nguồn. Các phương pháp tiêu chuẩn cung cấp dữ liệu vật liệu có thể so sánh được, trong khi thử nghiệm lắp ráp cuối cùng mới chứng minh được hiệu quả của giao diện. Một kế hoạch hợp lý cần tiến hành theo trình tự từ việc xem xét bảng dữ liệu kỹ thuật đến các thử nghiệm vật liệu có kiểm soát, đánh giá khả năng quy trình, thử nghiệm mô-đun đại diện và thử nghiệm lão hóa. Cần đo lại hiệu suất sau khi chịu tác động của các yếu tố môi trường.

Tiêu chuẩn ASTM D5470 và đo lường các tính chất của TIM

ASTM D5470 Tiêu chuẩn này được trích dẫn rộng rãi để xác định các tính chất truyền nhiệt ở trạng thái ổn định của các vật liệu dẫn nhiệt. Tiêu chuẩn này có thể được sử dụng để tính toán trở kháng nhiệt và độ dẫn nhiệt biểu kiến trong các điều kiện được kiểm soát. ASTM cũng nêu rõ rằng phương pháp lý tưởng hóa này không thể tái tạo chính xác mọi giao diện thực tế. Các yếu tố như bề mặt, áp suất, độ dày và cách chuẩn bị mẫu vẫn có ảnh hưởng quan trọng.

Các khái niệm về đo nhiệt độ theo tiêu chuẩn JESD51

Dòng tiêu chuẩn JEDEC JESD51 cung cấp các khái niệm và phương pháp đánh giá đặc tính nhiệt của chất bán dẫn. Những nội dung này rất hữu ích khi lập kế hoạch đo nhiệt độ điểm nối và thiết kế mạng nhiệt. Chúng không phải là chứng nhận độc lập dành cho chất bôi trơn nhiệt. Hãy áp dụng phương pháp phù hợp với thiết bị và mục tiêu thử nghiệm.

Tiêu chuẩn IEC 60068 và các thử nghiệm môi trường dành riêng cho từng ứng dụng

Các phương pháp theo tiêu chuẩn IEC 60068 thường được sử dụng làm nền tảng cho các thử nghiệm về nhiệt khô, nhiệt ẩm, thay đổi nhiệt độ, va đập và rung động. Hãy lựa chọn các thử nghiệm phản ánh đúng môi trường hoạt động của sản phẩm. Các chương trình thử nghiệm trong lĩnh vực ô tô, đường sắt, năng lượng tái tạo hoặc các chương trình tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng có thể bổ sung các chu kỳ thử nghiệm và giới hạn chấp nhận riêng.

Tổng quan của Haktak về các tiêu chuẩn kiểm tra TIM phổ biến có thể giúp các nhóm phân biệt các thử nghiệm về tính chất vật liệu với các thử nghiệm về độ tin cậy của cụm lắp ráp.

Thang trình độ được khuyến nghị

1. Xem lại tài liệu. Kiểm tra TDS, SDS, việc tuân thủ quy định, điều kiện bảo quản, thời hạn sử dụng và khả năng truy xuất nguồn gốc.
2. Tiến hành các bài kiểm tra TIM có kiểm soát. So sánh các vật liệu ứng viên ở nhiều mức độ liên kết và áp suất phù hợp.
3. Tìm hiểu quy trình nộp đơn. Đo khối lượng lắng đọng, vị trí, độ lặp lại và các khuyết tật.
4. Kiểm tra cụm lắp ráp đại diện. Hãy sử dụng mô-đun làm mát, bộ tản nhiệt, các chi tiết cố định và chất làm mát hoặc luồng khí.
5. Áp dụng các yếu tố gây căng thẳng môi trường. Tiến hành các thử nghiệm chu kỳ nhiệt, chu kỳ nguồn, độ ẩm và rung động theo yêu cầu.
6. Kiểm tra và đo lại. So sánh độ kháng nhiệt, độ phủ, hiện tượng chảy màu, hiện tượng di chuyển và tình trạng cơ học.

Cần gửi những gì cho nhà cung cấp mỡ tản nhiệt

Một đề xuất hữu ích cần bắt đầu từ thông tin về cụm linh kiện, chứ không phải là yêu cầu về “chất tản nhiệt có hệ số W/mK cao nhất”. Hãy cung cấp thông tin về mô-đun, bộ tản nhiệt, nhiệt độ mục tiêu, hình học, quy trình lắp đặt, phương pháp sản xuất và hồ sơ độ tin cậy. Dựa trên bối cảnh đó, nhà cung cấp có thể thu hẹp phạm vi lựa chọn về thành phần hóa học và tính lưu biến, đề xuất các mẫu thử và hỗ trợ xây dựng một kế hoạch xác nhận thực tế.

Hãy chuẩn bị bản tóm tắt sau đây:

• Nhà sản xuất mô-đun nguồn, mã sản phẩm và hướng dẫn lắp đặt.
• Cấu trúc mô-đun, kích thước tấm đế và diện tích tản nhiệt hoạt động.
• Vật liệu tản nhiệt hoặc tấm làm mát, lớp phủ, độ phẳng và độ nhám.
• Mất thiết bị, chất làm mát hoặc điều kiện môi trường và giới hạn nhiệt độ.
• Điện trở giao diện tối đa cho phép.
• Cách bố trí vít, trình tự siết vít và áp suất kẹp ước tính.
• Quy trình sử dụng khuôn in, in ấn, phun chất lỏng hoặc phủ sẵn được ưu tiên.
• Đường cong nhiệt độ liên tục, nhiệt độ đỉnh và nhiệt độ theo chu kỳ.
• Rung động, độ ẩm, hóa chất và tuổi thọ dự kiến.
• Các quy định về cách điện và silicone.
• Số lượng mẫu thử, sản lượng hàng năm, yêu cầu về bao bì và truy xuất nguồn gốc.

Đối với các ứng dụng mà độ mỏng của lớp giao diện là yếu tố ưu tiên hàng đầu, Haktak có thể đánh giá một mỡ bôi trơn có điện trở nhiệt thấp so với đường giới hạn thực tế và phương pháp sản xuất.

Bạn cần so sánh các ứng viên trong bộ mô-đun của riêng mình? Yêu cầu mẫu thử hoặc đề xuất vật liệu kèm theo bản vẽ mô-đun, thông tin chi tiết về bộ làm mát và thông số hoạt động.

Câu hỏi thường gặp

Loại keo tản nhiệt nào là tốt nhất cho mô-đun công suất IGBT?

Chất bôi trơn tốt nhất là loại đáp ứng được mục tiêu nhiệt độ mô-đun với lớp liên kết mỏng, có thể lặp lại và vẫn duy trì độ ổn định sau số chu kỳ hoạt động theo yêu cầu. Hãy so sánh các yếu tố như trở kháng nhiệt tại giao diện, khả năng in ấn, khả năng chống rò rỉ, độ ổn định nhiệt và tính tương thích. Tuân thủ hướng dẫn lắp đặt của nhà sản xuất IGBT trước khi lựa chọn độ dày hoặc mẫu bôi trơn.

Lớp mỡ tản nhiệt dưới mô-đun nguồn nên dày bao nhiêu?

Không có độ dày nào là chung cho tất cả các trường hợp. Các giá trị tham khảo do nhà sản xuất đưa ra thường nằm trong khoảng từ vài chục đến vài trăm micromet, nhưng mỗi giá trị cụ thể lại phụ thuộc vào từng mô-đun và điều kiện làm mát cụ thể. Hãy tham khảo hướng dẫn lắp đặt mô-đun, kiểm soát khối lượng vật liệu phủ và kiểm tra mẫu truyền nhiệt sau khi lắp đặt cũng như kết quả truyền nhiệt.

Đối với mỡ bôi trơn cho mô-đun nguồn, độ dẫn nhiệt cao hơn có phải lúc nào cũng tốt hơn không?

Không. Giá trị W/mK cao hơn có thể mang lại lợi ích, nhưng lớp dày hơn hoặc khả năng thấm ướt kém có thể làm mất đi lợi ích đó. Điện trở nhiệt tại đường nối thực tế và áp suất thường là các thông số hữu ích hơn. Tính ổn định lâu dài và khả năng lặp lại trong sản xuất cũng rất quan trọng.

Chất bôi trơn tản nhiệt có nên phủ kín toàn bộ tấm đế của mô-đun không?

Giao diện hoàn thiện cần đảm bảo phủ kín hiệu quả toàn bộ khu vực truyền nhiệt dự kiến mà không để lại các khoảng trống gây hại. Điều này không phải lúc nào cũng có nghĩa là phải in một hình chữ nhật đặc. Các mẫu khuôn riêng cho từng mô-đun có thể sử dụng các lớp phủ riêng biệt, sẽ lan rộng trong quá trình lắp đặt. Hãy tuân thủ mẫu đã được phê duyệt cho mô-đun đó.

In bằng khuôn có tốt hơn in bằng con lăn hay thìa không?

In khuôn thường mang lại độ lặp lại cao hơn trong sản xuất vì phương pháp này kiểm soát được khối lượng và vị trí. Có thể chấp nhận sử dụng con lăn hoặc thìa trong các trường hợp sản xuất mẫu thử, sửa chữa hoặc sản xuất số lượng nhỏ, miễn là nhà sản xuất mô-đun cho phép và kết quả được kiểm tra. Phương pháp này phải tạo ra giao diện lắp ráp đúng theo yêu cầu.

Chất bôi trơn tản nhiệt có thể bị bơm ra ngoài trong quá trình thử nghiệm chu kỳ nhiệt không?

Đúng vậy. Quá trình giãn nở và co lại lặp đi lặp lại có thể làm chất bôi trơn bị dịch chuyển khỏi các khu vực hoạt động, đặc biệt là khi thành phần chất bôi trơn, áp suất và chuyển động bề mặt không phù hợp với nhau. Hãy áp dụng chu trình nhiệt hoặc chu trình điện, kiểm tra độ phủ sau đó và lặp lại phép đo nhiệt.

Chất bôi trơn tản nhiệt cho mô-đun nguồn có tính cách điện không?

Một số sản phẩm không dẫn điện, nhưng tuyệt đối không nên suy đoán điều này chỉ dựa trên hình thức bên ngoài hoặc từ “mỡ bôi trơn”. Hãy kiểm tra bảng thông số kỹ thuật và cấu trúc an toàn. Một lớp hợp chất mỏng có thể không đáp ứng được các yêu cầu về cách điện, khoảng cách rò rỉ hoặc khoảng cách an toàn.

Khi nào tôi nên sử dụng vật liệu thay đổi pha thay vì mỡ tản nhiệt?

Hãy cân nhắc sử dụng vật liệu thay đổi pha khi bạn muốn đảm bảo vị trí bôi trơn chính xác, kiểm soát lượng bôi trơn và giảm thiểu sai số do thao tác trong mối nối kẹp mỏng. Cần xác nhận nhiệt độ kích hoạt, khả năng bám dính, áp suất và độ tin cậy. Mỡ bôi trơn vẫn có thể là lựa chọn ưu tiên trong những trường hợp mà khả năng bám dính ở nhiệt độ phòng và khả năng sửa chữa dễ dàng là yếu tố quan trọng.

Làm thế nào để tính toán lượng keo tản nhiệt cần thiết cho một mô-đun?

Ước tính khối lượng dựa trên diện tích phủ hiệu dụng, độ dày lớp phủ trung bình và mật độ vật liệu. Sau đó, điều chỉnh kết quả này dựa trên mẫu khuôn thực tế và thử nghiệm chuyển lớp đã lắp đặt. Trong quá trình sản xuất, việc cân các chi tiết trước và sau khi phủ là một phương pháp thực tiễn để theo dõi lượng vật liệu được phủ.

Cần tiến hành kiểm tra mỡ tản nhiệt như thế nào trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt?

Bắt đầu bằng việc rà soát vật liệu và tuân thủ quy định, sau đó so sánh các phương án ở các mức độ dày và áp suất phù hợp. Tiến hành nghiên cứu khả năng quá trình, đo lường hiệu suất nhiệt trong cụm lắp ráp thực tế giữa mô-đun và bộ làm mát, áp dụng chu kỳ biến đổi môi trường theo yêu cầu, và cuối cùng kiểm tra độ bao phủ cũng như đo lại điện trở nhiệt.