Повышение надежности электронных сборок

Прототип станка для производства печатных плат в домашних условиях (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Многофункциональные теплопроводные соединения могут помочь повысить надежность светодиодов.

Для многих электронных устройств на рабочие характеристики влияет температура. Слишком много тепла может привести к неисправности компонентов или преждевременному отказу компонентов. Например, основной причиной отказа светодиода (светодиода) является повышенная температура перехода. Соединение светодиода, в котором соединены два типа полупроводников, известно, что это горячее пятно, потому что и тепло, и свет испускаются по мере того, как потребляется электрическая энергия. По мере увеличения температуры перехода светлая мощность уменьшается, а цвет смещается в сторону синего. Такие продукты, как телевизионные дисплеи, дисплеи карманных электронных устройств, электронные вывески и автомобильные фары дневного света, зависят от светодиодов для создания надежного освещения.
Чрезмерные тепловые угрозы
Для светодиодов, а также транзисторов и других полупроводниковых электронных компонентов отказ оставаться ниже заданных температурных ограничений, таких как максимальная температура соединения или максимальная температура корпуса, может привести к необратимому повреждению и постоянным изменениям производительности. Отработанное тепло, создаваемое высокими токами в силовых трансформаторах и полупроводниках с электропитанием, может привести к перегреву этих устройств, что может поставить под угрозу производительность. Тепло необходимо удалять, чтобы поддерживать рабочие температуры в пределах спецификаций и обеспечивать надежность компонентов.
Спецификация температуры соединения в последние годы стала серьезной проблемой, так как больше функциональности сжимается в постоянно сокращающиеся пакеты. Современные 22-нм технологические геометрии позволяют создавать интегральные схемы (ИС) с плотностью транзисторов более 8 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр. Более высокая плотность транзистора означает меньшую площадь поверхности для рассеивания тепла - и даже более горячие точки - на микропроцессорах и других высокопроизводительных чипах. Кроме того, миниатюрные компоненты часто упаковываются в компактные носители интегральных микросхем, такие как чип-пакеты и массивы с шариковыми решетками (BGA), ограничивающие тепло до крошечных корпусов. Более жесткие технологии упаковки, такие как система на чипе (SOC), в которой компоненты сложены друг над другом, также усугубляют проблему рассеивания тепла.
Управление теплотой по дизайну
Эффективное тепловое управление стало одним из главных приоритетов современного электронного дизайна и упаковки. Тепло должно быть удалено на уровне матрицы, компонента и подложки таким образом, чтобы сбалансировать производительность, надежность, стоимость и, в некоторых случаях, вес. Существует три режима передачи тепла: проводимость, конвекция и излучение. Целью управления теплом является определение экономичного и эффективного пути передачи тепла от устройства в окружающую среду с использованием одной или нескольких технологий теплопередачи.
Теплоотводы обычно используются для передачи тепловой энергии от микропроцессоров, силовых транзисторов, светодиодных матриц и других устройств в окружающий воздух (см. Рис.1 ). Обычно из алюминиевого сплава или другого металла теплоотвод состоит из плоской поверхности с ребрами или других выступов, предназначенных для увеличения его площади поверхности. Плоская поверхность находится в контакте с электронным устройством, так что тепло течет от устройства к радиатору, проходит через радиатор и конвектируется с окружающим воздухом. Количество тепла, передаваемого через конвекцию, пропорционально площади поверхности в точке переноса, поэтому обширные поверхности теплоотвода значительно увеличивают количество тепла, рассеиваемого в воздухе.

Рисунок 1: Теплоотводы переносят тепло от силовых устройств в окружающий воздух.

Специальные теплоносители материалов
Специально разработанные материалы термического интерфейса (TIM) часто применяются между теплогенерирующим устройством и теплоотводом для заполнения теплоизоляционных воздушных зазоров и максимальной эффективности теплопередачи. ТИМ характеризуется его теплопроводностью (см. Врезку ), которая обычно превышает 0, 3 Вт / мК - более чем в 10 раз выше, чем у воздуха (0, 022 Вт / мК). Поскольку металлические теплоотводы являются лучшими тепловыми проводниками, чем TIM, оптимальный тепловой КПД достигается за счет минимизации толщины TIM и устранения избыточного материала.
Термические смазки, материалы с фазовым изменением и термически проводящие эпоксидные смолы являются одними из многих разновидностей материалов термического интерфейса, доступных на рынке сегодня. Выбор соответствующего TIM для конкретного приложения зависит от параметров приложения, таких как плотность мощности, требования к обработке, возможность повторной работы и другие проблемы. Термически проводящие эпоксиды часто предпочтительнее других альтернатив, поскольку они обеспечивают добавление и другие функциональные возможности в дополнение к возможностям теплопередачи. Эти многофункциональные системы предлагают преимущества по размеру и весу по сравнению с решениями, которые требуют механического крепления и стабильности, а также других преимуществ.
Выполнение нескольких функций
Термически проводящие полимерные соединения состоят из эпоксидных, силиконовых или эластомерных составов, заполненных теплопроводными металлическими, керамическими или нанотехническими частицами. Типичные значения проводимости варьируются от 1, 5 до 3, 0 Вт / мК, а удельная проводимость достигает 4, 0 Вт / мК для некоторых специально разработанных марок. Для данного типа наполнителя составители могут достигать более высоких значений теплопроводности, увеличивая концентрацию частиц наполнителя. Однако существует компромисс с прочностью прочности, поскольку большее количество наполнителя означает меньшее количество молекул полимера, доступных для сцепления. Этот компромисс не является проблемой для большинства приложений электроники, поскольку связанные электронные компоненты обычно не подвергаются высоким нагрузкам.

Таблица 1: Массовые теплопроводности обычных материалов

Клеи и родственные соединения известны своей способностью балансировать различные физические, электрические и механические свойства. Формообразователи адаптируют свойства для конкретных применений путем выбора смолы и отвердителя, типа наполнителя и концентрации и других добавок и путем контроля степени и способа отверждения. Термически проводящие эпоксидные системы обеспечивают химическую и влагостойкость и включают в себя классы, которые являются криогенно исправными, а также сорта, которые выдерживают температуры, превышающие 500 ° F. Также доступны марки, которые предназначены для защиты электроники от ударов и вибрации, помимо управления теплом, а также составы, которые могут противостоять температурному циклу и классам, которые соответствуют стандартам НАСА с низким уровнем выбросов. Одно- и двухкомпонентные соединения с различной вязкостью, модулями и графиками отверждения, а также эпоксидные пленки предлагают инженерам множество вариантов применения.

Рисунок 2: Высокая теплопроводность, минимальная толщина линии связи, полная полимеризация и устранение пустот помогают минимизировать тепловое сопротивление вдоль теплового пути.

Условия отверждения могут влиять на теплопроводность клеевого соединения. Слишком низкая температура отверждения может привести к медленному отверждению и более низкой плотности сшивки, в то время как слишком высокая температура отверждения может приводить к высоким экзотермическим воздействиям, которые могут вызвать расширение клеящей системы. Оптимальная проводимость достигается, когда полная полимеризация происходит через график лечения, рекомендованный знающим составителем. При полном отверждении частицы теплопроводного наполнителя вступают в контакт друг с другом, что способствует более эффективной теплопроводности.

Тщательное применение термического продукта важно для эффективной передачи тепла. Как показано на фиг.2, для создания теплового пути с наименьшим возможным термическим сопротивлением (см. Боковую панель) важны однородные тонкие линии связи и устранение воздушных зазоров, что позволяет эффективно пропускать тепло от горячего устройства до более холодной среды,

Термопроводящие эпоксидные соединения обычно используются для двойного назначения соединения и передачи тепла в таких приложениях, как высокомощное полупроводниковое матричное крепление, прикрепление теплоотвода и блокирование чувствительных к температуре компонентов к печатным платам (печатным платам). Они также используются в качестве интерфейса термической связи между матрицей и разбрасывателем тепла в пакетах BGA. Хотя большинство термически проводящих эпоксидов являются электрически изолированными, некоторые сорта сочетают тепловую и электрическую проводимость с использованием металлических наполнителей и могут использоваться в качестве электрического заземления на печатной плате. Связанные термически проводящие герметизирующие соединения используются для передачи тепла от трансформаторов, катушек и источников питания, защищая их от ударов, вибрации и других условий окружающей среды. Термически проводящие эпоксидные смолы могут также функционировать в качестве герметиков для защиты датчиков, соединителей и штырей при управлении теплом.

Продление срока службы компонентов
Сегодняшние высокопроизводительные электронные устройства сжимают больше функциональности в более плотные пакеты. Рыночный спрос на улучшение производительности и расширенные функции приводит к увеличению требований к мощности - заправки более высокой тепловой мощностью. Эффективное удаление тепла является обязательным для предотвращения преждевременного отказа компонентов и продления срока службы.

Теплопроводные соединения помогают оптимизировать передачу тепла через интерфейсы в различных приложениях во многих отраслях. Благодаря обеспечению крепления, защите окружающей среды и другим функциям в дополнение к теплопередаче эти клеи, герметики и герметизирующие соединения позволяют создавать более мелкие, все более мощные электронные системы.


Боковая панель:

Теплопроводность и термостойкость
Теплопроводность количественно определяет способность материала передавать тепло через проводимость. Часто обозначаемая как κ, теплопроводность определяется как количество тепловой энергии, передаваемой через известную область образца за определенное время, когда градиент температуры применяется к образцу. Общими единицами теплопроводности являются:

Обратной или обратной теплопроводностью является тепловое сопротивление. Тепловое сопротивление (1 / κ) характеризует способность материала противостоять потоку тепла. Как теплопроводность, так и тепловое сопротивление являются функциями температуры, и оба являются фундаментальными свойствами материала; то есть они не зависят от конкретного устройства или его геометрии. В реальных приложениях теплопроводность важна, но недостаточно для оценки теплопроизводительности, поскольку геометрия конкретного устройства также является важным соображением. Эффективность теплопередачи лучше всего определять, учитывая тепловое сопротивление конкретного объекта.
Тепловое сопротивление (R) измеряет сопротивление объекта тепловому потоку и определяется его тепловым удельным сопротивлением и его геометрией. Тепловое сопротивление объекта является отношением разности температур к рассеиваемой мощности и может быть выражено как функция геометрии объекта и теплового сопротивления:

где L - толщина объекта, A - его площадь поверхности, а κ - его теплопроводность. Это соотношение иллюстрирует, что по мере увеличения площади поверхности тепловое сопротивление уменьшается (что является ключевым принципом для теплоотводов) и что по мере увеличения толщины увеличивается тепловое сопротивление. Для термически проводящих адгезивов, используемых для соединения радиаторов с электронными компонентами, оптимальная передача тепла достигается путем минимизации толщины линии связи. В некоторых случаях размер частиц наполнителя в теплопроводной эпоксидной смоле определяет минимальную толщину линии связи, которая достижима без ущерба для прочности связи. Типичный размер частиц составляет 40 мкм, но Master Bond разработал запатентованные наполнители, которые измеряют только 3 мкм в поперечнике - улучшая теплопередачу без ущерба для прочности связи.
Для наиболее эффективной передачи тепла общее тепловое сопротивление пути от теплогенерирующего устройства к охлаждающей среде - например, воздух, окружающий радиатор, должен быть сведен к минимуму. Это достигается путем выбора теплопроводного соединения с высокой теплопроводностью, отверждения до завершения, обеспечения достаточной смачиваемости и равномерности линии соединения, минимизации толщины линии связи и устранения воздушных зазоров в линии соединения.

РОБЕРТ МАЙКЛС, вице-президент по техническим продажам, Master Bond, www.masterbond.com