Como medir a condutividade térmica do material de roteamento em um dissipador de calor IGBT?

Como fornecedor de materiais de roteamento para dissipadores de calor IGBT, é crucial entender como medir a condutividade térmica de nossos materiais de roteamento. A condutividade térmica é uma propriedade fundamental que determina a eficácia com que um material pode transferir calor. No contexto dos dissipadores de calor IGBT, a transferência de calor eficiente é essencial para manter o desempenho ideal e a longevidade dos módulos IGBT. Nesta postagem do blog, explorarei vários métodos para medir a condutividade térmica de materiais de roteamento em dissipadores de calor IGBT.

Importância da Condutividade Térmica em Dissipadores de Calor IGBT

Os módulos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) são amplamente utilizados em aplicações eletrônicas de alta potência, como veículos elétricos, sistemas de energia renovável e acionamentos de motores industriais. Durante a operação, esses módulos geram uma quantidade significativa de calor. Se esse calor não for dissipado adequadamente, a temperatura do módulo IGBT aumentará, o que pode levar à redução da eficiência, diminuição da confiabilidade e até mesmo falha do dispositivo.

O material de roteamento em um dissipador de calor IGBT desempenha um papel fundamental na transferência de calor. Um material com alta condutividade térmica pode transferir rapidamente o calor gerado pelo módulo IGBT para as aletas do dissipador de calor, onde pode ser dissipado no ambiente circundante. Portanto, medir com precisão a condutividade térmica do material de fresagem é vital para selecionar o material certo e otimizar o projeto do dissipador de calor.

Métodos para medir a condutividade térmica

1. Métodos de estado estável

um. Método de placa quente protegida

O método da placa quente protegida é um dos métodos de estado estacionário mais amplamente utilizados para medir a condutividade térmica. Neste método, uma amostra do material de fresagem é colocada entre duas placas planas: uma placa quente e uma placa fria. A placa quente fornece um fluxo de calor constante à amostra e a placa fria absorve o calor. Um termopar é usado para medir a diferença de temperatura entre as duas placas.

A condutividade térmica (k) pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
[k=\frac{Q\cdot L}{A\cdot\Delta T}]
onde (Q) é o fluxo de calor, (L) é a espessura da amostra, (A) é a área da seção transversal da amostra e (\Delta T) é a diferença de temperatura entre as placas quentes e frias.

A vantagem do método de placa quente protegida é sua alta precisão e confiabilidade. Ele pode medir a condutividade térmica de vários tipos de materiais, incluindo sólidos, líquidos e gases. No entanto, é um método relativamente lento, pois requer muito tempo para atingir uma condição de estado estacionário.

b. Método de medidor de fluxo de calor

O método do medidor de fluxo de calor é outro método de estado estacionário. É semelhante ao método da placa quente protegida, mas em vez de medir o fluxo de calor diretamente, utiliza um medidor de fluxo de calor para medir a taxa de transferência de calor através da amostra.

O medidor de fluxo de calor consiste em uma termopilha que gera uma tensão proporcional ao fluxo de calor. Medindo a tensão e a diferença de temperatura na amostra, a condutividade térmica pode ser calculada.

O método do medidor de fluxo de calor é mais rápido que o método da placa quente protegida e é adequado para medir a condutividade térmica de materiais finos. No entanto, pode ter algumas limitações de precisão, especialmente para materiais com baixa condutividade térmica.

2. Métodos Transitórios

um. Método de fonte plana transitória (TPS)

O método Transient Plane Source é um método transitório popular para medir a condutividade térmica. Neste método, um elemento de aquecimento circular e fino é colocado entre duas amostras do material de fresagem. O elemento de aquecimento é usado para gerar um pulso de calor de curta duração e a resposta de temperatura das amostras é medida em função do tempo.

A condutividade térmica pode ser determinada analisando a curva temperatura-tempo usando um modelo matemático. O método TPS tem diversas vantagens, incluindo tempo de medição rápido, capacidade de medir materiais anisotrópicos e uma ampla gama de valores de condutividade térmica aplicáveis.

b. Método Flash Laser

O método do flash laser é comumente usado para medir a difusividade térmica de materiais, que pode então ser usado para calcular a condutividade térmica. Neste método, um pulso curto de laser é aplicado em um lado da amostra e o aumento de temperatura no outro lado é medido usando um detector infravermelho.

A difusividade térmica ((\alpha)) é calculada a partir do tempo que leva para a temperatura atingir uma certa fração do seu valor máximo. A condutividade térmica (k) pode então ser calculada usando a seguinte fórmula:
[k=\rho\cdot C_p\cdot\alfa]
onde (\rho) é a densidade do material e (C_p) é a capacidade térmica específica.

O método de flash a laser é adequado para materiais de alta condutividade térmica e pode fornecer resultados precisos em um tempo relativamente curto. No entanto, requer um controle preciso das condições experimentais e pode não ser adequado para materiais com baixa difusividade térmica.

Fatores que afetam a medição da condutividade térmica

1. Temperatura

A condutividade térmica depende da temperatura. Em geral, a condutividade térmica da maioria dos materiais diminui com o aumento da temperatura. Portanto, é importante medir a condutividade térmica na temperatura operacional do dissipador de calor IGBT para garantir resultados precisos.

2. Preparação de Amostras

A qualidade da preparação da amostra pode afetar significativamente a medição da condutividade térmica. A amostra deve ter espessura uniforme, superfícies lisas e sem espaços de ar ou impurezas. Qualquer não uniformidade ou defeito na amostra pode introduzir erros na medição.

3. Resistência de contato

A resistência de contato entre a amostra e o equipamento de medição também pode afetar a precisão da medição da condutividade térmica. Para minimizar a resistência de contato, materiais de interface térmica adequados podem ser usados ​​entre a amostra e as placas ou sensores.

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Conclusão

Medir com precisão a condutividade térmica do material de roteamento em um dissipador de calor IGBT é essencial para garantir a operação eficiente dos módulos IGBT. Tanto os métodos de estado estacionário quanto os transitórios podem ser usados ​​para esse fim, cada um com suas próprias vantagens e limitações. Ao considerar fatores como temperatura, preparação da amostra e resistência de contato, podemos obter resultados de medição mais precisos.

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Referências

• Zhang, X. e Chen, Y. (2018). Manual de Condutividade Térmica. Elsevier.
• ASTM Internacional. (2019). Métodos de teste padrão para medições de fluxo de calor em estado estacionário e propriedades de transmissão térmica por meio do aparelho medidor de fluxo de calor. ASTM C518.
• Maleki, M. e Haghdadi, A. (2015). Métodos transitórios para medição de propriedades térmicas. Em Condutividade Térmica 42. Springer.