Традиционно в качестве теплопроводящего материала для изоляции полупроводниковых приборов от радиаторов используются теплопроводные подложки КПТД-2. Данные материалы имеют ряд недостатков, важнейшим из которых является высокая цена.
Специалистами ООО "ЯРОСТАНМАШ" проведено экспериментальное исследование по сравнению технико-экономических показателей традиционной теплопроводной подложки КПТД-2/3-0.2 производства ОДО "НОМАКОН" и полиамидной пленки толщиной 40мкм, при использовании последней в качестве электроизоляционной теплопроводной прокладки между корпусами полупроводниковых приборов (транзисторов, диодов и др.) и радиаторами.
Теплопроводящая электроизоляционная подложка КПТД-2/3-0.20 "Номакон" выполнена из силиконовой основы, наполненной микропорошком нитридной керамики для увеличения теплопроводности. Для придания механической прочности в структуру материала включена стеклотканевая армирующая сетка. Тем не менее, материал является достаточно рыхлым, легко прокалывается и рвется, требует бережного обращения. Наибольший размер заготовок КПТД-2, производимых ОДО "НОМАКОН", составляет 160 х 780мм. Для предотвращения слипания отдельных листов материала друг с другом, подложки КПТД-2/3-0.20 поставляются с защитной полиэтиленовой пленкой:
Полиамидная пленка выпускается в рулонах шириной до 1400мм, при неограниченной длине намотки. Материал является плотным, механически прочным, при разрезании не тянется, не деформируется. Пленка химически стойка к спирту, ацетону и др. растворителям. Образец для испытания имеет толщину 40мкм:
Для сравнения данных материалов была собрана несложная экспериментальная установка, основными компонентами которой являются два транзистора IRFZ44N в стандартных корпусах TO-220, прижатые к общему радиатору (профиль АВ0094, длина 100мм) через тестируемые подложки: полиамидную пленку толщиной 40мкм (на фото слева) и КПТД-2/3-0.2 (на фото справа). Обе подложки перед монтажом транзисторов были смазаны с двух сторон тонким равномерным слоем теплопроводящей кремнийорганической пасты КПТ-8. Излишки пасты после монтажа транзисторов на радиатор были удалены ватным тампоном. Транзисторы прижаты к радиатору с помощью единого коромысла, обеспечивающего одинаковое усилие прижатия обоих приборов:
Чтобы обеспечить одинаковое выделение тепла в обоих транзисторах вне зависимости от внешних условий и температуры, транзисторы входят в состав двухканальной схемы потребления постоянного стабилизированного тока от внешнего источника питания. Каждый из двух транзисторов работает в своем канале независимо от другого. Каждый канал обеспечивает стабилизацию потребляемого им тока на уровне 2А при напряжении питания схемы от 7 до 30В, что соответствует тепловой мощности, выделяемой на каждом транзисторе, от 9 до 55Вт. Данная схема гарантирует одинаковое тепловыделение в обоих приборах и представлена на рисунке ниже:
После монтажа компонентов на радиаторе, тестируемые подложки подверглись испытанию высоким напряжением величиной 1кВ на пробой. Испытание проведено с помощью прибора UT531, включенного в режиме мегомметра. Обе прокладки выдержали испытание. Суммарное сопротивление обоих подложек (включенных по электрической схеме соединения параллельно) составило более 650МОм:
Для измерения температуры поверхности транзисторов и радиатора использовался тепловизор Fluke Ti25. Поскольку поверхность радиатора блестящая и в ней отражается тепловое излучение окружающей среды, действительная температура самой поверхности радиатора не может быть адекватно измерена с помощью тепловизора. С целью матирования поверхности радиатора в месте измерения температуры, на него была наклеена полоска матовой пленки Oracal (светло-синего цвета на фотографиях ниже). По температуре этой полоски производилось измерение температуры радиатора.
Поскольку тепловизор Fluke Ti25 выводит в численном виде три значения температуры: значение температуры в центре кадра, максимальную температуру в кадре и минимальную температуру в кадре, при измерении температуры менее нагретого транзистора, более нагретый транзистор закрывался ширмой (деревянной линейкой), чтобы температура менее нагретого транзистора казалась тепловизору максимальной и он выводил на своем экране ее численное значение:
Эксперимент №1. Напряжение питания 15В. Тепловая мощность 25Вт на каждом транзисторе:
Перепад температуры на подложке КПТД-2/3-0.20 толщиной 200мкм составил 106.1 - 49.1 = 57°С.
Перепад температуры на полиамидной пленке толщиной 40мкм составил 81.1 - 49 = 32°С.
Полиамидная пленка при заданных толщинах материалов показала меньшее тепловое сопротивление в 1.78 раза.
Эксперимент №2. Напряжение питания 22.5В. Тепловая мощность 40Вт на каждом транзисторе:
Перепад температуры на подложке КПТД-2/3-0.20 толщиной 200мкм составил 160.1 - 60.5 = 99.6°С.
Перепад температуры на полиамидной пленке толщиной 40мкм составил 114.1 - 59.9 = 54.2°С.
Полиамидная пленка при заданных толщинах материалов показала меньшее тепловое сопротивление в 1.84 раза.
Анализируя полученные результаты измерений можно увидеть, что теплопроводность самого́ материала полиамидной пленки хуже, чем теплопроводность материала подложки КПТД-2/3-0.20, однако, благодаря более высокой механической прочности полиамидной пленки, толщина ее может быть значительно меньше толщины подложки КПТД-2, и общее тепловое сопротивление электроизоляционной прокладки из полиамидной пленки получается почти в 2 раза ниже.
Полученные в ходе экспериментов данные сведены в таблицу:
|
Параметр, вид испытания |
Подложка КПТД-2/3-0.20 |
Полиамидная пленка |
Примечание, применяемый инструмент |
|
Толщина, мкм |
201 |
40 |
Микрометр 0-25мм, 0.001мм |
|
Испытание на пробой при напряжении 1кВ |
выдержала |
выдержала |
Мультиметр UT531 |
|
Перепад температуры между корпусом TO−220 и радиатором при тепловой мощности 25Вт |
57°С |
32°С |
Тепловизор Fluke Ti25 |
|
Перепад температуры между корпусом TO−220 и радиатором при тепловой мощности 40Вт |
99.6°С |
54.2°С |
Тепловизор Fluke Ti25 |
|
Механическая прочность |
низкая |
высокая |
|
|
Удобство монтажа |
низкое |
высокое |
|
|
Стоимость |
высокая |
низкая |
Выводы.
- Применение полиамидной пленки толщиной 40мкм вместотеплопроводящей электроизоляционной подложки КПТД-2/3-0.20 позволяет снизить перепад температуры между корпусом полупроводникового прибора и радиатором в 1.8 раза;
- Полиамидная пленка является более прочным и более удобным для монтажа материалом, чем теплопроводящая электроизоляционная подложка КПТД-2/3;
- Стоимость полиамидной пленки на порядки меньше стоимости электроизоляционных подложек КПТД-2/3.
На основании проведенных экспериментов можно дать однозначное заключение: полиамидная пленка толщиной 40мкм рекомендована как замена подложек КПТД-2/3-0.20 в качестве электроизоляционной теплопроводящей прокладки для монтажа полупроводниковых приборов на радиаторах.