Керамические прокладки для транзисторов

Экспериментальное сравнение изолирующих теплопроводящих прокладок для силовых транзисторов

Так получилось, что у автора подобралась небольшая коллекция различных тепло-

проводящих изолирующих прокладок. На различных радиолюбительских форумах

периодически кем-нибудь задается вопрос: «А какую прокладку мне лучше всего по-

ставить в моем «сварочнике» (или ином девайсе)»? Так как автор тоже не равнодушен

к этой проблеме, то возникло желание как-то разобраться с этим вопросом практически.

В связи с тем, что хорошее техническое слово «прокладка» изрядно скомпрометировано рекламой известных изделий в средствах массовой дезинформации, автор в дальнейшем

будет использовать термин «подложка» (можно еще позаимствовать у оверклокеров

выражение «термоинтерфейс», но оно слишком заумное и импортнячее).

Для реализации поставленной задачи был собран небольшой стенд: понижающий тран-

сформатор с выпрямителем KBPC5010 на вторичной стороне и фильтрующей емкостью

4700 мкф, шунт 75ШСМ-50-0,5 для измерения тока и транзистор IRGP50B60PD1 в качес-

тве подопытной нагрузки. Для регулировки тока через силовой транзистор первичная

обмотка понижающего трансформатора включалась в сеть 220В через ЛАТР. Транзистор был установлен на радиатор площадью 480 см кв. Температура измерялась термопарой из

комплекта мультиметра VC9805A c погрешностью +-1 град. Цельсия.

Процесс проходил следующим образом. Через силовой транзистор пропускался посто-янный ток порядка 12А и контролировалась температура корпуса транзистора. Нагрев производился до тех пор, пока температура транзистора не достигнет своего почти рав-новесного значения, то есть скорость нагрева станет медленной либо рост температуры корпуса прекратится вообще. После этого измерялась температура корпуса и радиатора. Для измерения температуры радиатора в нем было сделано несквозное отверстие диа-метром 2 и глубиной 4 мм на расстоянии 5 мм от бокового края транзистора. При измере-нии температуры корпуса термопара прижималась (с пастой КПТ-8) к верхней поверхнос-ти медного основания корпуса транзистора, доступ к которой возможен благодаря нали-чию технологических пазов в пластмассовой части корпуса по обе стороны от крепежного отверстия.

Так как метрологические возможности автора не позволяли провести абсолютные из-

мерения, то все приведенные ниже цифры следует рассматривать в качестве оценочных и

относительных. Для снижения погрешности автор старался сравнивать различные под-

ложки при одинаковой температуре корпуса транзистора. Фактически, для сравнения теплопроводности (теплового сопротивления) подложек достаточно измерить и сравнить

разницу температур корпуса транзистора и радиатора. При этом, чем выше температура корпуса транзистора, тем больше эта разница температур и меньше погрешность. Кроме

того желательно проводить сравнение подложек при температуре корпуса транзистора, равной его рабочей температуре в реальном устройстве. По этим причинам автор делал замеры при температуре корпуса транзистора около100 градусов. Полученные результаты приведены в таблице.

Температура корпуса транзистора

Разность температур «корпус-радиатор»

Ррасс=18,9 Вт. Размеры:

Ррасс=20,1 Вт. Размеры:

Ррасс=17,5 Вт. Размеры:

Ррасс=16,7 Вт. Размеры:

Некоторые пояснения к таблице. Вариант «транзистор без подложки» использовался в качестве «опорной точки». Величина разности температур в 1 градус при погрешности +-1 градус говорит о том, что в пределах погрешности измерений разницу температур радиа-тора и транзистора обнаружить не удалость (при указанной рассеиваемой транзистором мощности). На обе стороны подложек (кроме «Номакона») наносился максимально равно-

мерный и тонкий слой пасты КПТ-8.

Подложка из «оксида алюминия» была извлечена из импульсного источника питания фирмы Benning, входящего в состав промышленного оборудования. Цвет у этой подложки молочно-белый (у бериллиевой – светло-серый или грязно-белый). Поэтому автор предпо-ложил, что у него в руках подложка из оксида алюминия. Полученные результаты тоже подтверждают это предположение. Стоит отметить, что существует достаточно много и других керамических материалов с высокой теплопроводностью, из которых производятся теплопроводящие изолирующие подложки: нитрид алюминия, нитрид бора, карбид крем-ния, оксид циркония, и другие. Причем, теплопроводность нитрида бора больше, чем у оксида бериллия.

Подложка из слюды имеет явно излишнюю толщину, так как для применения в источ-никах питания (для однофазной сети по крайней мере) достаточно слюды толщиной 0,07 – 0,05 мм исходя из необходимой электрической прочности. Поэтому, если применить подложку толщиной в три раза меньше, чем была у автора, то и ее тепловое сопротивле-ние стало бы втрое меньше и можно было бы ожидать тепловые параметры, близкие к тем, что получились для подложки из оксида алюминия. Это подтверждают данные, при-веденные в “Soldering and mounting techniques. Reference manual” фирмы “ON semi” (этот документ можно взять на сайте фирмы или на домашней странице автора). На рис. 10 этого документа приведен график зависимости теплового сопротивления «корпус транзис-тора – радиатор» от величины усилия прижима для подложек под корпус ТО-3 из раз-личных материалов. Оказывается, что тепловое сопротивление подложки из оксида алю-миния составляет порядка 0,35 К/Вт, а подложки из слюды толщиной 0,05 мм – порядка 0,4 К/Вт (с использованием термосмазки). На сайте фирмы “Fischer Elektronik” предлага-ются различные подложки из слюды (мусковит), например подложки под корпус ТО-3 имеет следующие параметры:

· Толщина – 0,05 мм;

· Напряжение пробоя – 5 кВ;

· Сопротивление изоляции – 3х10Е17 ом/см;

· Тепловое сопротивление – 0,4 К/Вт;

При использовании таких тонких подложек необходимо тщательно зашлифовать поверх-ность радиатора (и, возможно, транзистора тоже), чтобы случайным задиром, острой кромкой или твердой частицей какого-нибудь «мусора» не проколоть подложку.

Последняя подложка получила обозначение «импортный «Номакон»» из-за того, что по

внешним признакам она не отличается от всем хорошо известного «Номакона», но была

извлечена из блока питания компьютера «HP Vectra» 1995 года выпуска. Марка и произ-

водитель этой подложки не известны.

Хотя читатель уже сделал свои выводы, которые достаточно очевидны, все же попро-буем их сформулировать. Если есть возможность применить подложки из оксида берил-лия – их и надо ставить. По теплопроводности плюс электрической прочности они вне конкуренции. А вот по совокупности параметров «теплопроводность, электропрочность и цена» вне конкуренции дешевая и широко распространенная слюда. «Номакон» еще раз подтвердил свою пригодность только для маломощных источников питания бытового применения.

Из приведенных данных может сложится впечатление, что при использовании подло-

жек с высокой теплопроводностью можно допускать нагрев радиатора до 100 градусов и выше, однако не стоит забывать, что в реальном импульсном источнике питания в момен-ты включения/выключения кристалл транзистора может рассеивать большую импульсную

мощность, типичная величина которой составляет единицы (в некоторых случаях – десят-ки) киловатт. Это приводит к «всплескам» температуры кристалла, которые накладыва-ются на величину установившейся, статической температуры. Учесть колебания мгно-венной температуры кристалла в любительских условиях не возможно, поэтому весьма желательно применение различных демпферных цепей, снижающих величину мгновенной мощности «на фронтах» коммутационных процессов.

P. S. Автор благодарит Михаила Шевченко за предоставленные подложки из оксида берил-лия.

P. P.S. Полезные ссылки:

www. /compounds. html — сайт посвящен термоинтерфейсам, кулерам и т. п. На английском. www. /rtools_front. html — предлагается бесплатный софт для моделиро-вания тепловых процессов. Требуют регистрации. www. terralab. ru/supply/13736/ — статья «Термопрокладки». www. oao-tantal. ru/partner. php? >