Come misurare la conduttività termica del materiale di instradamento in un dissipatore di calore IGBT?

In qualità di fornitore di materiali di instradamento dei dissipatori di calore IGBT, capire come misurare la conduttività termica dei nostri materiali di instradamento è fondamentale. La conduttività termica è una proprietà fondamentale che determina l'efficacia con cui un materiale può trasferire il calore. Nel contesto dei dissipatori di calore IGBT, un trasferimento di calore efficiente è essenziale per mantenere le prestazioni ottimali e la longevità dei moduli IGBT. In questo post del blog esplorerò vari metodi per misurare la conduttività termica dei materiali di instradamento nei dissipatori di calore IGBT.

Importanza della conduttività termica nei dissipatori di calore IGBT

I moduli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono ampiamente utilizzati in applicazioni elettroniche ad alta potenza come veicoli elettrici, sistemi di energia rinnovabile e azionamenti di motori industriali. Durante il funzionamento, questi moduli generano una notevole quantità di calore. Se questo calore non viene dissipato correttamente, la temperatura del modulo IGBT aumenterà, il che può portare a una riduzione dell'efficienza, a una diminuzione dell'affidabilità e persino al guasto del dispositivo.

Il materiale di instradamento in un dissipatore di calore IGBT svolge un ruolo chiave nel trasferimento di calore. Un materiale con elevata conduttività termica può trasferire rapidamente il calore generato dal modulo IGBT alle alette del dissipatore di calore, dove può essere dissipato nell'ambiente circostante. Pertanto, misurare accuratamente la conduttività termica del materiale di instradamento è fondamentale per selezionare il materiale giusto e ottimizzare la progettazione del dissipatore di calore.

Metodi per misurare la conducibilità termica

1. Metodi a stato stazionario

UN. Metodo Piastra Calda Protetta

Il metodo della piastra calda protetta è uno dei metodi stazionari più utilizzati per misurare la conducibilità termica. In questo metodo, un campione del materiale di fresatura viene posizionato tra due piastre piane: una piastra calda e una piastra fredda. La piastra calda fornisce un flusso di calore costante al campione, mentre la piastra fredda assorbe il calore. Una termocoppia viene utilizzata per misurare la differenza di temperatura tra le due piastre.

La conducibilità termica (k) può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
[k=\frac{Q\cdot L}{A\cdot\Delta T}]
dove (Q) è il flusso di calore, (L) è lo spessore del campione, (A) è l'area della sezione trasversale del campione e (\Delta T) è la differenza di temperatura tra le piastre calde e fredde.

Il vantaggio del metodo con piastra calda protetta è la sua elevata precisione e affidabilità. Può misurare la conduttività termica di vari tipi di materiali, inclusi solidi, liquidi e gas. Tuttavia, è un metodo relativamente lento, poiché richiede molto tempo per raggiungere una condizione di stato stazionario.

B. Metodo del misuratore di flusso di calore

Il metodo del flussometro di calore è un altro metodo stazionario. È simile al metodo della piastra calda protetta, ma invece di misurare direttamente il flusso di calore, utilizza un flussometro di calore per misurare la velocità di trasferimento del calore attraverso il campione.

Il flussimetro è costituito da una termopila che genera una tensione proporzionale al flusso di calore. Misurando la tensione e la differenza di temperatura nel campione, è possibile calcolare la conduttività termica.

Il metodo del flussometro di calore è più veloce del metodo della piastra calda protetta ed è adatto per misurare la conduttività termica di materiali sottili. Tuttavia, potrebbe presentare alcune limitazioni in termini di precisione, soprattutto per materiali con bassa conduttività termica.

2. Metodi transitori

UN. Metodo TPS (Transient Plane Source).

Il metodo Transient Plane Source è un metodo transitorio popolare per misurare la conducibilità termica. In questo metodo, un sottile elemento riscaldante circolare viene posizionato tra due campioni del materiale di instradamento. L'elemento riscaldante viene utilizzato per generare un impulso di calore di breve durata e la risposta della temperatura dei campioni viene misurata in funzione del tempo.

La conducibilità termica può essere determinata analizzando la curva temperatura - tempo utilizzando un modello matematico. Il metodo TPS presenta numerosi vantaggi, tra cui tempi di misurazione rapidi, la capacità di misurare materiali anisotropi e un'ampia gamma di valori di conduttività termica applicabili.

B. Metodo del flash laser

Il metodo del flash laser è comunemente utilizzato per misurare la diffusività termica dei materiali, che può quindi essere utilizzato per calcolare la conduttività termica. In questo metodo, un breve impulso laser viene applicato su un lato del campione e l'aumento di temperatura sull'altro lato viene misurato utilizzando un rilevatore a infrarossi.

La diffusività termica ((\alpha)) viene calcolata dal tempo impiegato dalla temperatura per raggiungere una certa frazione del suo valore massimo. La conducibilità termica (k) può quindi essere calcolata utilizzando la seguente formula:
[k=\rho\cdot C_p\cdot\alpha]
dove (\rho) è la densità del materiale e (C_p) è la capacità termica specifica.

Il metodo del flash laser è adatto per materiali ad alta conduttività termica e può fornire risultati accurati in un tempo relativamente breve. Tuttavia, richiede un controllo preciso delle condizioni sperimentali e potrebbe non essere adatto a materiali con bassa diffusività termica.

Fattori che influenzano la misurazione della conducibilità termica

1. Temperatura

La conduttività termica dipende dalla temperatura. In generale, la conduttività termica della maggior parte dei materiali diminuisce con l'aumentare della temperatura. Pertanto, è importante misurare la conduttività termica alla temperatura operativa del dissipatore di calore IGBT per garantire risultati accurati.

2. Preparazione del campione

La qualità della preparazione del campione può influenzare in modo significativo la misurazione della conduttività termica. Il campione deve avere uno spessore uniforme, superfici lisce e privo di spazi d'aria o impurità. Eventuali disomogeneità o difetti del campione possono introdurre errori nella misurazione.

3. Resistenza di contatto

Anche la resistenza di contatto tra il campione e l'apparecchiatura di misurazione può influire sulla precisione della misurazione della conducibilità termica. Per ridurre al minimo la resistenza di contatto, è possibile utilizzare materiali di interfaccia termica idonei tra il campione e le piastre o i sensori.

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Conclusione

Misurare accuratamente la conduttività termica del materiale di instradamento in un dissipatore di calore IGBT è essenziale per garantire il funzionamento efficiente dei moduli IGBT. A questo scopo possono essere utilizzati sia metodi stazionari che transitori, ciascuno con i propri vantaggi e limiti. Considerando fattori quali la temperatura, la preparazione del campione e la resistenza di contatto, possiamo ottenere risultati di misurazione più accurati.

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Riferimenti

• Zhang, X. e Chen, Y. (2018). Manuale di conducibilità termica. Elsevier.
• ASTM Internazionale. (2019). Metodi di prova standard per misurazioni del flusso di calore in stato stazionario e proprietà di trasmissione termica mediante l'apparecchio del misuratore di flusso di calore. ASTM C518.
• Maleki, M. e Haghdadi, A. (2015). Metodi transitori per misurare le proprietà termiche. Nella conduttività termica 42. Springer.