Tin tức

Tấm đế tản nhiệt là gì và vì sao độ phẳng lại quan trọng?

Tấm đế tản nhiệt là nền kim loại đặc của cụm tản nhiệt, tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt, thường là CPU, IGBT hoặc mô-đun công suất, để truyền năng lượng nhiệt ra các cánh tản nhiệt hoặc ống dẫn nhiệt. Độ phẳng rất quan trọng vì nó quyết định kích thước khe hở không khí giữa tấm đế và bề mặt linh kiện, từ đó kiểm soát trực tiếp điện trở nhiệt; độ lệch 0,05 mm có thể làm tăng điện trở nhiệt hơn 20% và khiến nhiệt độ mối nối tăng 10-15°C. Trên thực tế, đạt được độ phẳng 0,05 mm hoặc tốt hơn trên tấm đế vuông 100 mm chính là sự khác biệt giữa nhiệt độ vận hành ổn định 80°C và sự cố hỏng sớm ở 105°C.

Độ Phẳng Của Tấm Đế Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Nhiệt Như Thế Nào?

Nguyên lý cơ bản là không khí là chất cách nhiệt với độ dẫn nhiệt chỉ 0,026 W/m·K, trong khi nhôm dẫn nhiệt ở mức 150-200 W/m·K và đồng ở mức 380-400 W/m·K. Khi tấm đế không phẳng, diện tích tiếp xúc giữa tấm đế và nguồn nhiệt bị giảm, và các khoảng trống chứa đầy không khí hoặc vật liệu giao tiếp nhiệt (TIM). Đối với mô-đun IGBT điển hình 50 mm x 50 mm, độ lệch phẳng 0,10 mm làm giảm diện tích tiếp xúc hiệu quả từ 35-40%, buộc lớp TIM phải lấp đầy khe hở. Vì hầu hết các loại TIM có độ dẫn nhiệt từ 1-8 W/m·K, điện trở nhiệt của bề mặt tiếp xúc có thể tăng từ 0,05 °C/W lên 0,12 °C/W, dẫn đến nhiệt độ vỏ tăng 15-20°C ở mức công suất tiêu tán 300 W. Nguyên tắc kinh nghiệm trong ngành là cứ mỗi 0,025 mm độ lệch phẳng sẽ thêm khoảng 0,02 °C/W điện trở nhiệt cho bề mặt tiếp xúc 100 cm².

Dung Sai Độ Phẳng Của Tấm Đế Tản Nhiệt Nên Là Bao Nhiêu?

Dung sai độ phẳng yêu cầu phụ thuộc vào kích thước tấm đế, phương pháp lắp đặt và ngân sách nhiệt của ứng dụng. Đối với tấm đế nhôm tiêu chuẩn dài tới 150 mm, độ phẳng 0,05 mm theo chỉ số dao động tổng (TIR) là điển hình cho điện tử tiêu dùng, trong khi các ứng dụng máy chủ và viễn thông hiệu suất cao yêu cầu 0,03 mm TIR. Đối với tấm đế lớn hơn 300 mm, chẳng hạn như loại dùng trong bộ chuyển đổi kéo tàu hỏa, dung sai được nới lỏng xuống 0,10 mm TIR do ứng suất vật liệu và cong vênh trong quá trình gia công. Tấm đế đồng, mềm hơn và dễ cong vênh hơn, thường yêu cầu bước xử lý giảm ứng suất sau gia công để duy trì 0,05 mm TIR. Tại cơ sở gia công CNC của chúng tôi, chúng tôi thường xuyên đạt độ phẳng 0,02 mm trên tấm đế nhôm 200 mm x 200 mm bằng cách sử dụng mâm cặp chân không và phay nhiều bước, nhưng điều này làm tăng 15-20% chi phí gia công so với dung sai 0,10 mm.

Vật Liệu Nào Tốt Nhất Cho Tấm Đế Tản Nhiệt?

Hai vật liệu chủ đạo là nhôm 6063-T5 và đồng C1100, trong đó nhôm là lựa chọn mặc định cho 85% ứng dụng do chi phí và trọng lượng. Nhôm 6063-T5 có độ dẫn nhiệt 200 W/m·K, mật độ 2,7 g/cm³ và chi phí vật liệu khoảng $4-6 mỗi kg, lý tưởng cho làm mát đối lưu tự nhiên và không khí cưỡng bức. Đồng C1100 có độ dẫn nhiệt 390 W/m·K nhưng giá $12-15 mỗi kg và nặng 8,9 g/cm³, đó là lý do nó chỉ dành cho điện tử công suất mật độ cao nơi không gian bị giới hạn và mật độ dòng nhiệt vượt quá 50 W/cm². Một lựa chọn lai, tấm đế đồng với cánh tản nhiệt nhôm, được sử dụng trong các mô-đun IGBT cao cấp, nhưng bề mặt tiếp xúc lưỡng kim đòi hỏi thiết kế cẩn thận để quản lý sự giãn nở nhiệt khác biệt, có thể gây ra thay đổi độ phẳng 0,02-0,04 mm trong khoảng dao động nhiệt độ 100°C. Đối với các ứng dụng khắc nghiệt, vật liệu composite molypden-đồng (MoCu) và đồng-vonfram (CuW) cung cấp khả năng khớp giãn nở nhiệt với gốm sứ nhưng giá $80-200 mỗi kg.

Tại Sao Ứng Suất Gia Công Gây Cong Vênh Tấm Đế?

Khi một tấm đế tản nhiệt được gia công từ một khối hoặc tấm kim loại đặc, việc loại bỏ vật liệu sẽ giải phóng các ứng suất bên trong đã bị khóa trong quá trình cán hoặc ép đùn. Ví dụ, một tấm nhôm dày 10 mm được gia công xuống còn 6 mm ở một mặt sẽ cong vênh 0,10-0,30 mm vì vật liệu còn lại mỏng hơn ở một bên và sự phân bố ứng suất bên trong trở nên mất cân bằng. Bản thân quá trình cắt cũng tạo ra ứng suất dư: một hoạt động phay mặt điển hình với chiều sâu cắt 0,5 mm tạo ra ứng suất nén bề mặt 50-150 MPa, có thể khiến tấm đế cong lên ở các cạnh. Để giảm thiểu điều này, các nhà sản xuất sử dụng quy trình gia công hai bước: gia công thô đến trong khoảng 0,3 mm so với độ dày cuối cùng, sau đó xử lý nhiệt giảm ứng suất ở 180-220°C trong 2-4 giờ, rồi thực hiện một đường gia công tinh. Quy trình này giảm cong vênh 60-70%, nhưng thêm 8-12 giờ vào thời gian sản xuất và 10-15% chi phí. Một giải pháp thay thế là sử dụng vật liệu tấm đã được giảm ứng suất trước, tốn thêm 5-8% chi phí nhưng loại bỏ nhu cầu xử lý nhiệt sau gia công.

Làm Thế Nào Để Lắp Đặt Tấm Đế Nhằm Duy Trì Độ Phẳng?

Phương pháp lắp đặt có ảnh hưởng không kém đến độ phẳng cuối cùng so với quá trình gia công, vì lực kẹp có thể làm biến dạng một tấm đế hoàn toàn phẳng khi chưa bị ràng buộc. Cách tiếp cận được khuyến nghị là sử dụng mô hình phân bố vít với bước vít 20-30 mm quanh chu vi và mô-men xoắn 0,5-1,0 N·m cho vít M3, thay vì một vài vít có mô-men xoắn cao ở các góc. Đối với tấm đế lớn hơn 100 mm, nên sử dụng kẹp lò xo gắn ở tâm hoặc tấm nén để phân bố lực đều. Bề mặt lắp đặt trên khung máy hoặc tấm làm mát cũng phải phẳng, lý tưởng nhất là trong khoảng 0,05 mm, vì tấm đế sẽ tuân theo bề mặt lắp đặt dưới áp lực; nếu bề mặt lắp đặt có vết lồi 0,15 mm, tấm đế sẽ biến dạng cục bộ, tạo ra khoảng trống ngay dưới nguồn nhiệt. Vật liệu giao tiếp nhiệt nên được phủ ở độ dày được kiểm soát 0,05-0,10 mm đối với vật liệu thay đổi pha và 0,10-0,20 mm đối với mỡ silicon, sử dụng khuôn in hoặc robot phân phối để đảm bảo tính đồng nhất. Trong thử nghiệm của chúng tôi, một tấm đế phẳng được lắp đặt đúng cách với độ phẳng 0,03 mm đạt điện trở nhiệt 0,04 °C/W, trong khi cùng một tấm đế lắp trên bề mặt cong vênh với độ lệch 0,15 mm sẽ suy giảm xuống 0,09 °C/W.

Yêu Cầu Về Bề Mặt Hoàn Thiện Trên Tấm Đế Tản Nhiệt Là Gì?

Độ nhám bề mặt của vùng tiếp xúc tấm đế được chỉ định là Ra (độ nhám trung bình số học) và nên nằm trong khoảng 0,4 đến 1,6 µm cho hầu hết các ứng dụng, với 0,8 µm là tiêu chuẩn ngành cho các bề mặt sử dụng TIM. Bề mặt quá thô, trên 3,2 µm, tạo ra các đỉnh vi mô ngăn TIM lấp đầy các rãnh, để lại các túi khí làm tăng điện trở nhiệt. Bề mặt quá nhẵn, dưới 0,2 µm, có thể khiến TIM bị ép ra hoàn toàn dưới áp lực, dẫn đến tiếp xúc kim loại với kim loại thực sự tệ hơn vì nó có điện trở tiếp xúc cao hơn do các khe hở vi mô. Độ phẳng và độ nhám bề mặt là các thông số kỹ thuật độc lập: một tấm đế có thể hoàn toàn phẳng nhưng có bề mặt thô, hoặc nhẵn nhưng cong vênh, và cả hai điều kiện đều không thể chấp nhận được. Đối với tiếp xúc kim loại với kim loại trực tiếp không dùng TIM, điều hiếm gặp và yêu cầu kim loại lỏng hoặc lá indi, độ phẳng phải được cải thiện xuống 0,01 mm và độ nhám xuống 0,2 µm, nhưng điều này chỉ khả thi cho các tấm đế nhỏ dưới 50 mm. Gia công CNC tiêu chuẩn với đường gia công tinh ở chiều sâu cắt 0,1 mm và tốc độ tiến dao 0,05 mm/vòng quay tạo ra độ nhám 0,8 µm Ra trên nhôm một cách đáng tin cậy.

Chi Phí Và Thời Gian Giao Hàng Điển Hình Cho Tấm Đế Gia Công Là Bao Nhiêu?

Chi phí của một tấm đế tản nhiệt được quyết định bởi vật liệu, thời gian gia công và yêu cầu dung sai, trong đó độ phẳng là yếu tố chi phí lớn nhất. Đối với tấm đế nhôm 100 mm x 100 mm x 8 mm với độ phẳng 0,10 mm, chi phí gia công là $8-12 mỗi chiếc cho số lượng 500-1000 đơn vị, với thời gian giao hàng 2-3 tuần bao gồm cả việc mua vật liệu. Thắt chặt độ phẳng xuống 0,03 mm làm tăng chi phí lên $15-20 mỗi chiếc do thiết lập thêm, tốc độ tiến dao chậm hơn và tỷ lệ phế phẩm cao hơn 3-5% so với 1% của dung sai tiêu chuẩn. Đối với tấm đế đồng cùng kích thước, chi phí vật liệu là $15-18 mỗi chiếc và gia công thêm $20-25 do lực cắt cao hơn và mài mòn dụng cụ; gia công đồng tạo ra mài mòn dụng cụ gấp 2-3 lần so với nhôm. Bảng dưới đây tóm tắt giá và thông số kỹ thuật điển hình cho các cấu hình tấm đế phổ biến.

Khi Nào Nên Sử Dụng Tấm Đế Đồng Thay Vì Nhôm?

Quyết định giữa tấm đế đồng và nhôm dựa trên mật độ dòng nhiệt và không gian có sẵn cho tản nhiệt. Nếu nguồn nhiệt tạo ra mật độ dòng nhiệt hơn 30 W/cm² và kích thước tản nhiệt bị giới hạn bởi vỏ máy, đồng là cần thiết vì độ dẫn nhiệt 390 W/m·K của nó truyền nhiệt theo phương ngang với tốc độ gần gấp đôi nhôm, giảm gradient nhiệt độ trên tấm đế. Ví dụ, mô-đun IGBT 200 W với diện tích chip 40 mm x 40 mm tạo ra 125 W/cm², yêu cầu tấm đế đồng để giữ nhiệt độ mối nối dưới 125°C; tấm đế nhôm sẽ nóng hơn 15-25°C trong cùng điều kiện. Tuy nhiên, nếu tản nhiệt có diện tích bề mặt cánh tản nhiệt và luồng không khí dồi dào, tấm đế nhôm với buồng hơi hoặc ống dẫn nhiệt nhúng bên trong có thể đạt hiệu suất tương tự với chi phí thấp hơn 40-50%. Tấm đế đồng cũng có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn (17 ppm/°C so với 23 ppm/°C của nhôm), khớp tốt hơn với đế gốm sứ (6-8 ppm/°C), giảm ứng suất mối hàn trong mô-đun công suất. Đối với khối lượng sản xuất trên 10.000 đơn vị mỗi năm, chênh lệch chi phí vật liệu $8-10 mỗi chi tiết trở nên đáng kể, vì vậy cần thực hiện mô phỏng nhiệt chi tiết để biện minh cho việc sử dụng đồng.

Câu Hỏi Thường Gặp

Sự khác biệt giữa độ phẳng và độ nhám bề mặt là gì?

Độ phẳng là thước đo độ gợn sóng tổng thể hoặc độ lệch của toàn bộ bề mặt so với một mặt phẳng hoàn hảo, thường được biểu thị bằng milimét theo chỉ số dao động tổng, trong khi độ nhám bề mặt (Ra) đo các đỉnh và rãnh vi mô mịn trên bề mặt. Một bề mặt có thể rất thô nhưng hoàn toàn phẳng, hoặc rất nhẵn nhưng cong vênh, và cả hai thông số phải được kiểm soát độc lập để có tiếp xúc nhiệt tốt.

Độ phẳng của tấm đế được đo như thế nào trong sản xuất?

Độ phẳng được đo bằng bàn chuẩn đá granite với đồng hồ so hoặc máy đo tọa độ (CMM) quét bề mặt tại nhiều điểm, thường là 9 đến 25 điểm đo cho tấm đế vuông 100 mm. Giá trị độ phẳng là chênh lệch giữa điểm cao nhất và thấp nhất so với mặt phẳng tham chiếu, và các phép đo nên được thực hiện ở nhiệt độ được kiểm soát 20°C vì nhôm giãn nở 0,023 mm mỗi mét mỗi độ C.

Một tấm đế cong vênh có thể được làm thẳng sau khi gia công không?

Có, một tấm đế cong vênh có thể được làm thẳng bằng máy ép hoặc máy làm phẳng trục lăn, nhưng điều này chỉ đáng tin cậy đối với nhôm và chỉ khi độ cong vênh nhỏ hơn 0,2 mm. Việc làm thẳng tạo ra các ứng suất dư mới có thể khiến tấm đế cong vênh trở lại trong quá trình chu kỳ nhiệt, vì vậy tốt hơn là ngăn ngừa cong vênh thông qua gia công và giảm ứng suất thích hợp thay vì cố gắng khắc phục sau đó.

Kích thước tối đa cho một tấm đế tản nhiệt là bao nhiêu?

Tấm đế tản nhiệt có thể được sản xuất lên đến 600 mm x 600 mm trong một mảnh duy nhất bằng các trung tâm gia công CNC lớn, nhưng việc kiểm soát độ phẳng trở nên khó khăn hơn trên 300 mm do ứng suất vật liệu và nhu cầu về đồ gá chân không chuyên dụng. Đối với kích thước lớn hơn, thông thường sử dụng nhiều tấm đế nhỏ hơn hoặc chỉ định dung sai độ phẳng lỏng hơn 0,15-0,20 mm, có thể yêu cầu lớp TIM tuân thủ hoặc hệ thống lắp đặt có lò xo.

Độ dày của tấm đế ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt như thế nào?

Tấm đế dày hơn truyền nhiệt hiệu quả hơn theo phương ngang nhưng thêm điện trở nhi

Bài Viết Liên Quan

• Tản nhiệt cho bộ pin: Ngăn ngừa hiện tượng thoát nhiệt
• Tản nhiệt cho đèn LED độ sáng cao với tản nhiệt
• Tản nhiệt IGBT cho xe năng lượng mới, kỹ thuật độ tin cậy của tản nhiệt, tản nhiệt tích hợp ống nhiệt và tấm cân bằng nhiệt, xử lý bề mặt và tăng cường bức xạ nhiệt: anodizing, lớp phủ màu đen và cấu trúc vi nano, graphene / in 3D / quản lý nhiệt thông minh: lộ trình công nghệ tản nhiệt năm 2030