Новости PCB - Определение теплопроводности керамических материалов Роджерса

На этапе проектирования силовых модулей инженеры выбирают компоненты, материалы и технологии производства, чтобы соответствовать требованиям заказчика к производительности, надежности и стоимости. Когда безопасность, надежность и производительность имеют решающее значение, может потребоваться избыточное проектирование. Однако с каждым новым поколением модулей соотношение цены и производительности (или ватты на доллар) повышается. В результате инженеры должны использовать аналоги модулей для безопасной работы в пределах допустимых значений. В частности, теплопроводность керамического листового материала и его температурная стабильность являются важными параметрами, которые необходимо учитывать для надежной и экономически эффективной конструкции. В этой статье Роджерс объясняет, как измеряется теплопроводность и насколько она точна.

Теплопроводность отражает передачу энергии в виде тепла через тело в результате температурного градиента и является неотъемлемой частью теплопроводности однородного материала. Она не связана с размером, формой или ориентацией материала. Ее можно рассчитать по следующей формуле:

где:

λ (Т): теплопроводность [Вт/м*К]

ρ (Т): плотность [г/см³].

cp (Т): удельная теплоемкость [Дж/г*К]

a (Т): коэффициент теплопередачи [мм²/с].

Плотность описывает соотношение массы и объема материала. Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для повышения температуры грамма материала на один градус. Коэффициент теплопередачи — это скорость, с которой материал реагирует на изменения температуры.

Коэффициент теплопередачи обычно измеряется методом лазерной вспышки (LFA). Этот метод включает нагрев образца коротким энергетическим импульсом на одном конце и анализ изменения температуры на другом. Для точного измерения толщины образца требуется использование микрометра. Зонд должен быть достаточно острым, чтобы исключить ошибки, вызванные изгибом образца. Кроме того, тонкие образцы должны быть покрыты графитом для обеспечения хорошего контакта с лазерным источником. Кроме того, для предотвращения ошибок измерения следует использовать плотный и очень однородный слой графита. В этом отношении ручное напыление графита подвержено ошибкам, и следует отдавать предпочтение автоматической системе напыления. Наконец, результаты измерения также зависят от ширины импульса лазера. Наконец, погрешность измерения скорости распространения тепла обычно составляет менее 3%.

Удельная теплоемкость материала обычно определяется путем измерения теплоемкости образца материала и деления ее на массу образца. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) является наиболее распространенным методом термического анализа, используемым для оценки теплоемкости материала. Измерения ДСК требуют, чтобы образец был герметично упакован в лоток для образцов, чтобы избежать прямого контакта с печью и/или датчиками. Особое внимание следует уделить выбору и обращению с лотком для образцов, поскольку это может существенно повлиять на воспроизводимость результатов измерения. Погрешность этого измерения обычно находится в диапазоне 5%.

Плотность является функцией температуры ρ (T), определяемой по измерениям коэффициента теплового расширения (КТР) и плотности ρ 0 (RT) при комнатной температуре. Плотность при комнатной температуре может быть определена методом плавучести, при котором образец дважды взвешивается в двух разных средах (обычно в воздухе и жидкости). Используя известные плотности воздуха и используемой жидкости, можно рассчитать плотность образца. Определение плотности тонкой керамики может показаться простым, но требует особой осторожности при выполнении. Коэффициент теплового расширения α (T) определяется методом термомеханического анализа (ТМА). Тонкую керамику укладывают слоями до желаемой толщины образца 3 мм. Это приведет к неравномерности образцов и проблемам деформации из-за температурных эффектов. Наконец, α (T) определяется только в направлении оси z. Опять же, неопределенность этого измерения обычно составляет не более 5 процентов.

Комиссия по регулированию электросетей Роджерса

Наконец, теплопроводность рассчитывается на основе результатов измерений и неопределенности трех переменных. Эта неопределенность значительно выше и обычно составляет до 20 процентов. Однако компания Rogers много лет измеряет и рассчитывает теплопроводность керамических материалов и материалов различных поставщиков. Теплопроводность зависит от температуры и уменьшается с повышением температуры. Эти значения особенно полезны для определения тепловой эффективности конкретного силового модуля и предоставляются по запросу.

Определение теплопроводности — сложная задача. Она требует знания образца, включая его геометрию, размер и метод подготовки, а также понимания основных принципов и процедур методики испытаний. Наконец, необходимо обратить внимание на потенциальные источники ошибок, которые могут повлиять на результаты.