Почему электроизоляционные теплоотводы так редки? Это просто стоимость?

Изменить: Кажется, мой первоначальный вопрос (почему нет теплоизоляционных радиаторов?) Был основан на ложной предпосылке, и на самом деле есть теплоизоляционные теплоотводы - я просто не смог найти их с помощью быстрого поиска. Вместо этого я изменяю это, чтобы спросить об их редкости.

Радиаторы, по-видимому, почти всегда изготавливаются из алюминия, меди или некоторой их комбинации. Это имеет смысл; алюминий и медь просты в эксплуатации и имеют высокую теплопроводность. Но алмаз обладает одной из самых высоких теплопроводностей среди всех известных веществ - очевидно, конечно, что алмаз типа, пригодного для использования в качестве радиатора, будет, по меньшей мере, чрезмерно дорогим, так как он, вероятно, должен быть одним кристалл ювелирного качества, но нельзя ли использовать, например, кубический нитрид бора, который имеет аналогичную теплопроводность?

И да, производственные трудности с изготовлением большого монокристалла c-BN, вероятно, будут примерно такими же, как изготовление большого монокристалла алмаза, но я ожидаю, что конечная цена не будет такой большой, потому что нет группы De Beers для Пойдем за тобой за нитридом бора. И, безусловно, существуют другие неметаллические соединения, которые имеют хорошую теплопроводность, и некоторые из них, вероятно, будут лучше подходить для производства. Я сомневаюсь, что они смогут даже приблизиться к цене экструдированного алюминия, но иногда вам нужна более высокая производительность.

Итак, в заключение, мой вопрос: только стоимость делает неметаллические радиаторы настолько редкими, или есть какие-то другие недостатки, которые делают их менее желательными вне самых эзотерических приложений?

Одна вещь, которую другие ответы, кажется, не охватили, состоит в том, что вам нужен только очень тонкий слой электрического изолятора (при умеренных напряжениях), в то время как часть теплоотвода радиатора работает лучше всего, если она толстая. Поэтому более эффективно использовать тонкий электроизолирующий барьер, за которым следует толстый, дешевый и легко изготавливаемый металлический радиатор, чем использовать один кусок материала, который является теплопроводящим и электроизоляционным. Те немногие материалы, которые существуют (например, алмаз), не могут быть экструдированы или иным образом легко сформированы в форме радиатора. Некоторые могут быть спечены, но спекание обычно не может достичь теплопроводности сыпучего материала. Инженерный эффект всей этой материаловедения состоит в том, что мы в конечном итоге делаем то, что всегда делали.

Другим фактором является политика запасов: благодаря наличию громоздких надежных радиаторов и меньшему количеству (как это не всегда требуется) небольших деликатных изолирующих прокладок ваш запас занимает меньше места для хранения и капитала, чем если бы вы хранили два типа громоздких радиаторов. Стоимость и производительность лучше без изолятора, когда это не требуется.

Это вряд ли новая проблема; Те из нас, кто достиг определенного возраста, помнят радиаторы с слюдяными изоляторами для пакетов TO-220 и TO-3.

Проблема (в то время) была и материальной стоимостью и доступностью и материаловедением. Мы прошли долгий путь в нашем понимании теплопроводности различных соединений за эти годы, но это все еще относительно новая технология (существуют такие вещи, как теплопроводящие прокладки, которые существуют уже десятилетия, но сами по себе не являются теплоотводами). право).

TO-220 имеет теплораспределитель на коллекторе / стоке устройства, который обычно находится под повышенным напряжением, поэтому в типичной схеме использовалась эта техника:

Источник .

Не было ничего необычного в использовании термопасты чтобы максимизировать теплообмен.

Теперь это не совсем объясняет относительную редкость встроенных изолированных радиаторов; это действительно сводится к тому, «нужно ли это», или я могу просто использовать хорошо известный метод теплоотвода и электроизоляционного барьерного материала, который дешевле (по крайней мере, сегодня).

Старый проверенный и надежный метод хорошо работал в течение многих десятилетий, но для некоторых приложений (особенно для небольших устройств) такое решение может не подходить.

Есть довольно много доступных предложений , но они, как правило, немного дороже (в расчете на ватт). Существует также много исследований в других материалах .

Конечно, для фактора широка, вы могли бы использовать эти .

Таким образом, это сводится к ряду вещей, и стоимость является основным фактором. Я также отмечу, что большой рынок радиаторов предназначен для процессоров и графических процессоров, где корпус ИС в любом случае электрически изолирован.

Полимерные радиаторы заслуживают упоминания. Полимерные радиаторы не так уж редки. Время от времени я сталкиваюсь с полимерными радиаторами промышленных, автомобильных, потребительских товаров. Их часто трудно распознать как радиаторы, потому что они могут иметь вторые механические цели (кожух, кронштейн, отражатель лампы). Эти радиаторы всегда изготавливаются по индивидуальному заказу.

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

Е2 это пластик ( источник )

Некоторое дополнительное обсуждение в этом старом ответе .

Особенность радиатора в том, что есть только два способа в конечном итоге избавиться от тепла, проводимости и излучения.

В конечном счете, если предположить, что ваша излучательная способность достаточно близка к 1 (действительно важно, если вы можете работать в режиме HOT, потеря мощности на излучение составляет 4-ую степень абсолютной температуры), и вы можете сделать так, чтобы вещь имела хороший тепловой контакт с окружающей охлаждающей средой (воздухом). , вода, что угодно) то, из чего вы делаете это, не имеет большого значения (этот интерфейс влияет на производительность, а не на общую теплопроводность радиатора).

Теперь очевидно, что вам необходимо спроектировать радиатор так, чтобы тепло проходило через него достаточно эффективно и в области, где имеется большая плотность потока мощности, которая может выступать за что-то другое, а не за союзника, за большую часть того, где у вас много металла чтобы сохранить дельта Т низким, самый дешевый - лучший.

Для теплораспределителя или изолирующей шайбы это, разумеется, отличается, теплораспределители по определению используются там, где плотность потока мощности очень высока, а минимальное тепловое сопротивление - очень хорошая вещь, поэтому в этой роли обычно используется медь.

Что касается изолятора, то вы видите используемые экзотические материалы, потому что хороший тепловой проводник, который также является электрическим изолятором, не так уж распространен, поэтому нитрид бора, глинозем, оксид бериллия (!) И тому подобное все видят здесь, и я бы не стал шокирован тем, кто использует алмаз (возможно, в каком-то странном ВЧ-устройстве).

С технической точки зрения, безусловно, возможно изготовление радиаторов со встроенными изоляционными прокладками. Причина, по которой они этого не делают, это экономика.

Между различными механическими, электрическими и термическими вариантами существует множество различных комбинаций. Если бы изолятор и радиатор были одной частью, то поставщики должны были бы иметь на складе гораздо больше уникальных номеров деталей.

Разделяя изолятор и радиатор на уникальные продукты, пользователь получает гораздо больше возможностей.

Вот некоторые вещи, которые следует учитывать.

1) Во многих случаях пользователь будет использовать зазоры между радиаторами и горячими компонентами, чтобы устранить слабые механические отклонения. Это означает, что каждый пользователь хочет, чтобы подушка была разной толщины.

2) Материалы теплоизоляционных прокладок различаются по степени их соответствия жестким поверхностям. Часто существует связь между тем, насколько мягким является материал и насколько хорошо он проводит тепло.

3) У разных пользователей будут разные требования к изоляции с точки зрения напряжения. Существует компромисс между напряжением изоляции, толщиной материала и термическим сопротивлением.

3) Добавление изолятора между теплоотводом и деталью влечет за собой штраф за термическое сопротивление. Если возможно не использовать изоляционный слой, тогда вы получите лучшие тепловые характеристики в этом случае.

Наилучшим компромиссом является создание чрезвычайно тонкого слоя с большой площадью поверхности с высоким номинальным напряжением [кВ / мм] с достаточной твердостью, чтобы его нельзя было разрезать или проколоть, но при этом он также должен быть недорогим.

Теплопроводящие характеристики изолятора включают в себя;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Все электрические изоляторы являются "диэлектриками". Все радиаторы являются хорошими теплопроводниками.
Тем не менее, в твердых веществах может быть дорого иметь обе эти характеристики.
Фаза смены материалов которые превращают жидкость под давлением, чтобы сделать возможное решение.

Процессоры, как правило, используют керамическое стекло в качестве теплоизоляции радиатора из-за чрезвычайно плоских свойств.

Для линейного напряжения Triacs, Mica была лучшим материалом для защиты от импульсных 5 кВ и теплопроводности с термопастой.

Диэлектрические жидкости, такие как трансформаторное масло, также являются хорошими теплоизоляторами с тепловым потоком.

Показатели качества для сравнения материалов Использование теплопроводящих изоляторов;

Теплопроводность [Вт / мК] ,
толщина [мкм] , твердость по Шору [00] ,
диэлектрическая прочность [кВ / мм] и
термический импеданс [˚C-см² / Вт]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ или разделить по теплопроводности в $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$,

Традиционные решения; были слюда, 3М лента и некоторые полимерные ленты.

Лучшее экономичное решение Aavid Thermalloy - это:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

Для принудительного отвода тепла воздух учитывается не ОВЛХ, а часто сообщается, а турбулентная скорость приземного воздуха контролирует охлаждение в среднем [м / с].

Произведение обоих этих параметров приводит к лучшим свойствам материала, но не самым дешевым.

На самом деле, есть хорошее решение: алюминий. Анодированный алюминий. Анодирование превращает поверхность в оксид алюминия, который является изолятором. Хорошие новости: площадь поверхности увеличена, чтобы помочь отвести тепло к окружающему воздуху; Плохая новость не плоская, гладкая поверхность для контакта с силовым устройством, выделяющим тепло. Решение: термопаста (также известная как «смазка»). Важные примечания: Есть несколько процессов анодирования алюминия. Большинство симпатичных вещей - «Класс I», который является мягким или «Класс II», который является умеренно твердым. Вы можете использовать класс II Если нет относительного движения устройства для охлаждения и он прочно крепятся к радиатору и нет никаких заусенцев или царапин, это работает хорошо. Слишком много " если " с &"Для вас? Тогда анодирование" класса III "- это то, что вам нужно. Он имеет тенденцию к неравномерному цвету, а черный имеет коричневатый или пурпурный оттенок. Он почти такой же твердый, как бриллианты, и в значительной степени стойкий к царапинам. Все еще нуждается в смазке, но без изолятора при разумных напряжениях. Военные и аэрокосмические компании использовали его более 50 лет, либо в виде тонких (~ 0,025 ") анодированных шайб (аналогично штампованным изоляторам слюды TO-3), либо всего корпуса (например, ракеты). Трудно найти в наши дни и стоит дороже, чем другие решения, но делает работу хорошо.

Для «смазки» используйте силикон (не на основе нефти), оксид алюминия (не оксид цинка) от Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly или Saint-Gobain. Бутик на серебристой и медной основе, предназначенный для геймеров на разгонных ПК, дорогой и проводящий. Это нормально для анодирования класса III, если оно не мигрирует, не падает, не высыхает, не пудрит и не отслаивается и т. Д. На токонесущий материал (просто не используйте его). Если вам действительно нужно соединить много тепла со смазкой, оксид бериллия в несколько раз лучше, чем оксид алюминия. Просто относитесь к нему как к асбесту: не облизывайте, не ешьте его, не вдыхайте его. Это раздражает кожу, поэтому надевайте перчатки и готовьтесь к нападению «ядовитой охоты на ведьм». Эти смазки должны иметь толщину от 0,0001 "до 0,0005" под устройством (вид полупрозрачного). Наносить небольшим пластиковым или металлическим шваброй; для объемов производства используйте трафарет (тот же тип трафаретного материала, что и для паяльной пасты ~ 0,005 "SS) и швабру.

Я видел теплоотводы с тонким керамическим покрытием в зоне монтажа, но разница Cte является проблемой и может взломать тонкую керамику.

Надеюсь, это поможет, я получил это после> 40 лет блуждания между электронами и электронными дырками.

В целом, я подозреваю, что избежание «износа» в полевых условиях и, как следствие, дорогостоящей замены является ключевой причиной общего применения, в котором избегают кристаллических радиаторов. Не говоря о том, что металлические радиаторы никогда не выходят из строя в полевых условиях. Но, вообще говоря, замена металлических радиаторов в полевых условиях будет намного дешевле и потребует гораздо меньше специализированного оборудования по сравнению с кристаллическими радиаторами.

То есть вначале кристаллические радиаторы обычно дорого обрабатывать, а некоторые из них могут быть повреждены из-за термических и механических нагрузок. Вы все равно можете остаться в пределах приемлемых общих затрат, если все это произошло на заводе по производству специальных радиаторов. Но производителям конечных приложений нередко приходится подгонять радиатор, чтобы подогнать его и т. Д.

Во-вторых, один раз при использовании в полевых условиях многие радиаторы испытывают термические и механические удары и вибрации, которые могут быть за пределами 100% выживаемости для кристаллических радиаторов. Старые добрые металлические радиаторы, с другой стороны, могут потребовать немного злоупотреблений и изгибов. Некоторые даже служат в качестве механической точки крепления к внешнему шасси большей сборки.

Также в случае кристаллических радиаторов крепежные элементы могут стать точками отказа вместо радиатора. Более мягкая крепежная деталь могла бы гасить вибрационные повреждения радиатора, но вместо этого постепенно подвергаться воздействию тех же самых вибраций и изгибам.

Таким образом, кристаллические радиаторы, вероятно, станут случайным элементом ремонта в полевых условиях ... при условии разумного отключения и предупреждения. Теперь подумайте, какие специальные инструменты необходимы в этой области, и какой процент поломок может применяться, когда ваш средний специалист пытается справиться с заменой. Бьюсь об заклад, радиаторы будут чем-то, что многие корпуса, правительства и частные клиенты ожидают от местных техников, даже если они не будут подключены. Просто работа гаечного ключа, верно?