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PCB資訊

PCB資訊 - 羅傑斯陶瓷材質導熱率的測定

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PCB資訊 - 羅傑斯陶瓷材質導熱率的測定

羅傑斯陶瓷材質導熱率的測定
2021-05-15
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Author:電路板      分享文章

在電源模組設計階段,工程師選擇的組件、材質和製造技術要滿足客戶設定的效能、可靠性和成本要求。 在安全性、可靠性和效能至關重要時,過度設計可能是必要的。 但是,隨著每一代新模塊的出現,性價比(或每美元瓦數)均會更上一層樓。 囙此,工程師必須通過模塊類比以在限制範圍內安全運行。 尤其陶瓷板原料的熱導率及其溫度穩定性是穩健且具有成本效益的設計必須考慮的重要參數。 羅傑斯在本文解析熱導率的測定方法及其準確性。


熱導率體現的是能量因溫度梯度原因而以熱量的形式通過物體進行傳遞,這是均勻材質中體現導熱能力的一個固有内容。 該内容與材質的大小、形狀或方向無關。 可通過以下等式計算:

等式計算

其中:

λ (T):熱導率[W/m*K]

ρ (T):密度[g/cm3]

cp(T):比熱容[J/g*K]

a(T):熱擴散率[mm2/s]


密度描述的是材質的質量和體積之間的關係。 比熱容是指一克材質的溫度每新增一度所需的熱量。 熱擴散率則體現材質對溫度變化的反應速度。


熱擴散率通常使用雷射閃光法(LFA)來測定。 其可在一端採用短能量脈衝加熱樣品,同時在另一端分析溫度變化。 這要求使用千分尺精確量測樣品厚度。 量測探針應足够尖銳,以排除因樣品彎曲而引起的任何誤差。 而且,薄樣品要塗有石墨,以確保與雷射源耦合良好。 此外,需採用緻密且非常均勻的石墨層以避免發生測量誤差。 在這方面,手工噴塗石墨容易出錯,應首選自動噴塗系統。 最後,量測結果還取決於雷射器的脈衝寬度。 最後,熱擴散率的量測不確定性範圍通常在3%內。


材質的比熱容通常通過量測材質樣品的熱容並將其除以樣品質量來確定。 差示掃描量熱法(DSC)是用於估算材質熱容最常用的熱分析方法。 DSC量測要求將樣品密封在樣品盤中,以免樣品與熔爐和/或感測器直接接觸。 要特別注意樣品盤的選擇和處理,因為這會對量測結果的可重複性產生重大影響。 該測量方法的不確定性範圍通常為5%。


密度是由熱膨脹係數(CTE)量測結果和室溫下的密度 ρ 0(RT)共同確定的隨溫度 ρ (T)而變化的函數。 室溫下的密度可通過浮力法來測定,即在兩種不同的介質(通常是空氣和液體)中兩次稱量樣品。 利用已知的空氣和所施加液體的密度,可以計算出樣品的密度。 薄陶瓷的密度測定聽起來容易,實施時需要特別注意。 通過熱機械分析(TMA)測定熱膨脹係數 α (T)。 將薄陶瓷堆疊到所需的3mm樣品厚度。 這會導致樣品不均勻,且會因溫度作用而出現變形問題。 最後,僅在z方向上確定 α (T)。 同樣,該測量方法的不確定性範圍通常在5%內。

羅杰斯電路板

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最終,根據量測結果及三個變數的不確定性來計算熱導率。 這樣的不確定性會更高,範圍通常在20%內。 然而,多年來羅杰斯已測定和計算過陶瓷材料和各種供應商的熱導率。 熱導率取決於溫度,隨溫度升高而降低。 這些數值對於給定電源模組的熱效能類比特別有用,可按要求提供。


熱導率的測定是一項挑戰性很强的任務。 既需要掌握樣品知識,包括樣品的幾何形狀、大小和製備方法,又需要瞭解測試技術的基本原理和步驟。 最後,需要注意可能對結果有影響的潜在錯誤源。

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