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AlN x nitreto de boro para gerenciamento térmico em eletrônicos médicos
Acompanhando o calor ao longo da montagem
Em um pacote de diodo a laser, o calor pode atravessar uma camada de fixação do chip, um substrato cerâmico e uma interface térmica antes de atingir o dissipador de calor metálico. Cada camada contribui para o aumento da temperatura. Substituir a cerâmica por um tipo de maior condutividade pode ter pouco efeito se uma junta adesiva espessa ou uma interface mal assentada for responsável pela maior parte da resistência.
Tanto o nitreto de alumínio quanto o nitreto de boro podem fornecer isolamento elétrico ao mesmo tempo em que conduzem calor, mas suas formas de produto levam a diferentes aplicações. O AlN denso é um material de substrato rígido. O BN prensado a quente pode ser usinado para formar suportes isolantes, enquanto polímeros preenchidos com BN podem se adaptar entre superfícies. Esses materiais podem coexistir no mesmo conjunto, em vez de competirem pela mesma posição.
Onde o AlN se encaixa no caminho do calor
Os substratos de nitreto de alumínio são úteis sob componentes geradores de calor quando o pacote precisa de uma base rígida e eletricamente isolante. O calor pode passar pela placa em direção a um dissipador e se espalhar lateralmente além da área ocupada pelo componente. O equilíbrio entre esses dois caminhos depende da espessura da placa, do tamanho da fonte de calor e de como a parte inferior é resfriada.
Um cálculo simples mostra por que as camadas adjacentes merecem atenção. Para condução uniforme e unidimensional, a resistência térmica é a espessura dividida pela condutividade e pela área: R = t/(kA). Suponha uma cerâmica de 0,5 mm com condutividade de 150 W/(m·K), cobrindo 1 cm². Sua resistência calculada é de cerca de 0,033 K/W. Uma camada de polímero de 0,1 mm com 3 W/(m·K), sobre a mesma área, contribui com cerca de 0,33 K/W.
Esses são dados ilustrativos, não especificações para produtos específicos, e o cálculo exclui a resistência de contato e de dissipação lateral. Mesmo assim, a camada de polímero contribui com dez vezes mais resistência neste exemplo, apesar de ser mais fina. Melhorar apenas a cerâmica deixaria a maior parte dessa contribuição praticamente inalterada.
Além disso, tornar a cerâmica mais fina nem sempre melhora o conjunto completo. Isso reduz a distância de condução direta, mas altera a propagação lateral e a rigidez mecânica. Um chip pequeno sobre um dissipador de calor muito maior requer uma avaliação dependente da geometria, especialmente quando a fixação ou a união pudessem entortar a placa.
O BN Precisa de uma Direção e de uma Forma de Produto
O BN hexagonal conduz calor muito mais facilmente ao longo de sua estrutura em camadas do que transversalmente a ela. Medições em h-BN a granel demonstram essa anisotropia, mas um valor obtido ao longo de uma direção não pode descrever todos os componentes usinados ou polímeros preenchidos vendidos sob o nome de BN.
No BN prensado a quente, a orientação das partículas se desenvolve durante o processamento. A peça resultante pode conduzir calor de maneira diferente ao longo e transversalmente à direção de prensagem, com ligantes e densidade também afetando suas propriedades. Um desenho para um suporte condutor de calor deve, portanto, relacionar a orientação do material ao caminho de calor pretendido.
O BN pirolítico também possui uma estrutura fortemente em camadas. Ele pode ser considerado para a disseminação direcional de calor, embora o calor ainda precise entrar na peça e sair por outra superfície ou borda. A alta condutividade no plano oferece benefício limitado quando o conjunto força o calor a passar por uma rota transversal ao plano com baixa condutividade.
Para fins de aquisição, a questão relevante é quais materiais e classes de nitreto de boro fornecem as propriedades necessárias na orientação da peça acabada. Os dados relativos a um cristal maciço, bloco prensado a quente, peça de PBN depositada e compósito polimérico devem permanecer identificáveis, em vez de serem combinados em um único valor de “condutividade do BN”.
| Forma do material | Posição provável em uma montagem | Detalhe de seleção que importa |
|---|---|---|
| AlN policristalino denso | Substrato rígido sob um componente gerador de calor | Condutividade, espessura, planicidade, metalização e projeto da junta |
| BN prensado a quente | Suporte isolante usinado, espaçador ou dispositivo de fixação | Tipo, aglutinante, orientação da prensagem e carga mecânica |
| BN pirolítico | Peça isolante especial ou elemento de dissipação direcional de calor | Orientação das camadas, rota de saída do calor, manuseio e montagem |
| Polímero com enchimento de BN | Interface de preenchimento de espaços, adesivo ou encapsulante | Desempenho em toda a espessura, espessura comprimida, pressão de contato e envelhecimento |
Uma interface mais flexível resolve um problema diferente
Duas superfícies nominalmente planas se tocam apenas em parte de sua área aparente. Um material de interface adaptável preenche as lacunas que, de outra forma, conteriam ar, reduzindo a resistência de contato. Sua condutividade volumétrica pode ser muito inferior à do AlN, mas ainda assim pode melhorar o caminho de dissipação de calor da montagem ao estabelecer um melhor contato.
O enchimento de BN aumenta a condutividade de um polímero, mas o aumento do teor de enchimento também pode tornar o compósito mais rígido. Pesquisas sobre interfaces de borracha de silicone/h-BN descobriram que a carga de enchimento afetava a condutividade, a rugosidade da superfície e a conformabilidade. Uma formulação com maior condutividade, portanto, não eliminava automaticamente o problema de contato.
O alinhamento das plaquetas introduz outra complicação. O processamento pode orientar as escamas de BN principalmente dentro do plano de uma folha. Isso pode favorecer a condução lateral, ao mesmo tempo em que proporciona menor melhoria na espessura — a direção necessária para que o calor se desloque de um componente para um dissipador.
Uma comparação entre almofadas deve, consequentemente, utilizar a impedância térmica em uma espessura e pressão especificadas. A norma ASTM D5470 fornece um método para medir as propriedades de transmissão térmica de materiais isolantes. As condições de teste ainda precisam ser comparadas com a montagem: um resultado obtido sob compressão substancial pode não representar um instrumento médico levemente fixado.
A união determina como a cerâmica é utilizada
Uma placa de AlN sem revestimento e um substrato metalizado são produtos diferentes. A soldagem por solda-branda ou por brasagem requer um sistema de superfícies compatíveis, enquanto a fixação por adesivo adiciona uma linha de união cuja espessura e cobertura influenciam o fluxo de calor. O processo de união também deixa tensão residual que se torna relevante durante os ciclos de temperatura.
Diferenças de expansão entre peças cerâmicas, metálicas e semicondutoras podem sobrecarregar as juntas repetidamente. Cantos, grandes áreas coladas e mudanças abruptas na rigidez merecem atenção durante o projeto do pacote. Um certificado de condutividade não pode indicar se uma determinada junta soldada ou colada resistirá a esse movimento.
O BN prensado a quente é uma opção atraente quando uma peça isolante precisa de cavidades, ranhuras ou outros recursos usinados que seriam mais onerosos em uma cerâmica dura. Sua usinabilidade não determina sua resistência sob um fixador. Paredes finas e cargas de fixação concentradas devem ser levadas em consideração, especialmente se a mesma peça precisar manter o alinhamento e conduzir calor.
A preparação da superfície deve seguir o método de fixação. Planicidade, limpeza, rugosidade e umectação são fatores importantes, mas um polimento mais fino não é uma solução universal. Uma junta soldada, uma ligação adesiva e uma almofada comprimida estabelecem contato por meio de processos diferentes.
O isolamento elétrico precisa resistir à montagem
A rigidez dielétrica em massa descreve uma amostra de material sob condições especificadas. Em um instrumento, o desempenho do isolamento também depende da espessura, das bordas, do espaçamento da metalização, dos fixadores, da contaminação e da estrutura circundante. Uma cerâmica altamente isolante ainda pode ser instalada em um conjunto com um caminho de fuga superficial inadequado.
Para uma almofada compatível, a espessura comprimida é importante tanto para o comportamento térmico quanto para o elétrico. A compressão pode melhorar o contato ao mesmo tempo em que reduz a distância de isolamento restante. Rebarbas, partículas e pressão local podem tornar a espessura real menos uniforme do que a dimensão nominal da almofada sugere.
As verificações ambientais devem considerar a exposição à qual o conjunto estará sujeito. Um substrato interno em um compartimento seco e uma peça acessível em contato com fluido de limpeza enfrentam condições diferentes. A sensibilidade à umidade também depende do grau e da construção fornecidos; os resultados para pó de AlN solto não devem ser usados diretamente para prever a vida útil de um substrato metalizado denso.
Especificação de peças para uma construção representativa
Para discussões com a Stanford Advanced Materials (SAM), um esboço do conjunto pode ser mais útil do que uma solicitação pela maior condutividade disponível. Ele deve mostrar a área ocupada pela fonte de calor, o contato com o dissipador de calor, a espessura disponível, o método de fixação e a separação elétrica necessária.
Uma consulta sobre AlN pode, então, definir as dimensões do substrato, a planicidade, a condição da superfície, a metalização e os requisitos de propriedades térmicas. Um componente de BN precisa ter seu grau e orientação vinculados ao desenho. Para uma interface de polímero, a espessura comprimida e a carga de fixação disponível devem ser consideradas juntamente com os dados de condutividade e isolamento.
As medições do protótipo devem manter consistentes a entrada de calor, as condições ambientais, o arranjo do dissipador e o método de fixação. Registrar as temperaturas em pontos acessíveis na pilha ajuda a localizar a maior queda. Após ciclos ambientais, as mudanças no aumento de temperatura podem ser comparadas com a condição da junta, a compressão da almofada e as medições elétricas.
Esse registro facilita a avaliação de substituições posteriores. Se uma cerâmica de maior condutividade produzir pouca melhoria, a próxima investigação pode se concentrar no contato, na distribuição ou no dissipador. Se o aumento da carga de fixação melhorar a temperatura, mas danificar o isolamento, o pacote precisa de uma solução mecânica diferente, em vez de um valor de condutividade de catálogo melhor.
Referências
- Transporte térmico anisotrópico em nitreto de boro hexagonal maciço.
- Efeitos microestruturais na condutividade térmica do nitreto de alumínio policristalino.
- Compreensão da impedância térmica de compósitos de borracha de silicone/nitreto de boro hexagonal como materiais de interface térmica.
- ASTM D5470 — Método de ensaio padrão para propriedades de transmissão térmica de materiais de isolamento elétrico termocondutores.
