هیت سینک IGBT

3. مواد و رابط‌های حرارتی (TIMs)

انتخاب ماده واسط حرارتی بین سطح ماژول IGBT و هیت سینک یک نقطه حیاتی در کاهش $R_{th,cs}$ است. هیچ دو سطحی کاملاً صاف نیستند و فضاهای میکروسکوپی پر از هوا (که رسانای بسیار ضعیفی است) باعث ایجاد مقاومت حرارتی می‌شود.

3.1. خواص مواد پایه

معمولاً هیت سینک‌ها از آلومینیوم (سری 6000) به دلیل نسبت هدایت حرارتی به هزینه عالی ساخته می‌شوند. در کاربردهای بسیار حساس، از مس به دلیل هدایت حرارتی بالاتر ($k \approx 400 \text{ W/m}\cdot\text{K}$ در مقابل $k_{Al} \approx 180 \text{ W/m}\cdot\text{K}$) استفاده می‌شود، اگرچه مس سنگین‌تر و گران‌تر است.

3.2. انواع واسط‌های حرارتی (TIMs)

ماده واسط باید هدایت حرارتی بالایی داشته باشد و بتواند تمام ناهمواری‌ها و تلرانس‌های مونتاژ را پر کند.

الف) گریس‌های حرارتی (Thermal Greases)

این مواد معمولاً بر پایه سیلیکون یا آلی بوده و با ذرات سرامیکی یا فلزی (مانند اکسید روی، نیترید آلومینیوم، یا نقره) پر شده‌اند.

• مزایا: انعطاف‌پذیری بالا، توانایی پر کردن شکاف‌های بزرگتر، قیمت مناسب.
• معایب: مستعد ریزش (Pump-out) تحت بارهای چرخه‌ای حرارتی و لزوم استفاده از پیچ برای اعمال فشار مناسب.

ب) پدهای حرارتی (Thermal Pads)

پدهای الاستومری (مانند سیلیکون یا فایبرگلاس) که با پرکننده‌های رسانا آغشته شده‌اند. قیمت هیت سینک IGBT

• مزایا: نصب آسان، بدون نیاز به تمیزکاری مجدد، مناسب برای تولید انبوه.
• معایب: هدایت حرارتی معمولاً پایین‌تر از گریس‌ها، و مقاومت حرارتی بالاتر ($R_{th,cs}$ بیشتر).

ج) مواد تغییر فاز دهنده (Phase Change Materials – PCM)

• مزایا: پس از سرد شدن، سفتی خود را حفظ کرده و تماس خوبی را فراهم می‌کنند (بدون پدیده ریزش گریس).
• معایب: عملکرد وابسته به دمای فعال‌سازی.

د) واسط‌های فلزی

استفاده از فویل‌های مس یا آلومینیوم بسیار نازک (گاهی با پوشش اکسیدی نازک برای جلوگیری از اتصال کوتاه الکتریکی) برای حداکثر رسانایی.

• مزایا: بالاترین هدایت حرارتی ممکن.
• معایب: نیاز به فشار بسیار بالا برای از بین بردن ناهمواری‌ها؛ اگر فشار بیش از حد اعمال شود، ماژول آسیب می‌بیند.

4. استانداردها، مونتاژ و توصیه‌های عملی

حتی بهترین طراحی هیت سینک نیز اگر به درستی مونتاژ نشود، عملکرد ضعیفی خواهد داشت.

4.1. فشار مکانیکی و گشتاور بستن

ماژول‌های قدرت به فشار بیش از حد حساس هستند. اعمال فشار نامتعادل یا بیش از حد در حین بستن پیچ‌ها می‌تواند باعث:

1. شکست یا ترک خوردن بدنه سرامیکی: منجر به اتصال کوتاه داخلی یا خرابی ساختاری.
2. اعوجاج پایه (Warpage): اگر پایه هیت سینک یا پایه ماژول تحت فشار خمیده شود، تماس TIM از بین رفته و مقاومت حرارتی به شدت افزایش می‌یابد.

4.2. آماده‌سازی سطح و تمیزی

تمامی سطوح درگیر در مسیر حرارت باید عاری از آلودگی باشند:

• سطح ماژول: تمیز کردن با ایزوپروپیل الکل (IPA) برای حذف هرگونه باقیمانده روغنی.
• سطح هیت سینک: اگر هیت سینک اکسترود شده است، ممکن است نیازمند فرزکاری دقیق سطح (Milling/Grinding) باشد تا صافی سطح (Surface Roughness – $R_a$) مناسبی برای استفاده از TIM دلخواه حاصل شود.

4.3. پوشش‌ها و خوردگی

در محیط‌های مرطوب یا دارای مواد شیمیایی خورنده، آندایزینگ (Anodizing) سطح آلومینیوم توصیه می‌شود. آندایز یک لایه محافظ اکسیدی بر روی آلومینیوم ایجاد می‌کند که نه تنها از خوردگی جلوگیری می‌کند، بلکه مقاومت الکتریکی سطح را نیز افزایش می‌دهد (که برای عایق‌بندی الکتریکی ضروری است). پوشش آندایز معمولاً هدایت حرارتی را اندکی کاهش می‌دهد، اما مزایای دوام آن معمولاً بر این کاهش جزئی غلبه می‌کند. عمده هیت سینک IGBT

4.4. تست و اعتبارسنجی حرارتی

پس از مونتاژ، سیستم باید تحت بار حرارتی کامل (ماکزیمم $Q_{total}$) و در ماکزیمم دمای محیط ($T_{a,max}$) آزمایش شود.

5. کاربردهای کلیدی هیت سینک IGBT

هیت سینک‌ها برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد IGBTها در حوزه‌های مختلفی به کار می‌روند:

5.1. اینورترهای انرژی خورشیدی (Solar Inverters)

IGBTها در اینورترهای رشته‌ای و مرکزی برای تبدیل برق DC تولیدی پنل‌ها به برق AC شبکه استفاده می‌شوند. اینورترها اغلب در محیط‌های بیرونی یا نیمه‌باز نصب می‌شوند، بنابراین مدیریت حرارتی باید در برابر نوسانات دمای محیطی قوی باشد. خنک‌کاری با مایع یا فن‌های قوی برای دفع حرارت در شرایط اوج تابش خورشید ضروری است.

5.2. درایوهای صنعتی موتور (Variable Frequency Drives – VFD)

VFDها برای کنترل سرعت موتورهای القایی به کار می‌روند و تلفات بالایی دارند، به خصوص در هنگام سوییچینگ فرکانس‌های بالا. هیت سینک‌ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند با تغییرات بار موتور (و در نتیجه تغییرات $Q_{total}$) سازگار باشند.

5.3. سیستم‌های انتقال و توزیع توان (HVDC Converters)

در مبدل‌های جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC)، ماژول‌های IGBT بسیار بزرگی به کار می‌روند که توان‌هایی در حد مگاوات را مدیریت می‌کنند. در این موارد، تقریباً همیشه از سیستم‌های خنک‌کاری با مایع با ظرفیت بالا استفاده می‌شود. فروش هیت سینک IGBT

5.4. منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)

 هیت سینک‌ها باید بر اساس بدترین حالت شکست (Maximum Power Dissipation) طراحی شوند و معمولاً از فن‌های با قابلیت اطمینان بالا استفاده می‌شود.

نتیجه‌گیری

هیت سینک یک جزء پسیو اما حیاتی در سیستم‌های الکترونیک قدرت مبتنی بر IGBT است. طراحی موفقیت‌آمیز آن مستلزم درک دقیق فیزیک انتقال حرارت، خصوصاً محاسبه دقیق مقاومت حرارتی کل ($R_{th,total}$) و هدف‌گیری دقیق $R_{th,sa}$ است. انتخاب متریال (آلومینیوم در مقابل مس)، روش ساخت (اکسترود، اسکیو یا باندی) و کیفیت واسط حرارتی (TIM) مستقیماً بر عملکرد و طول عمر تجهیز تأثیر می‌گذارد. با پیشرفت تکنولوژی نیمه‌هادی‌ها و افزایش چگالی توان، حرکت به سمت سیستم‌های خنک‌کاری با مایع و استفاده هوشمندانه از مواد پیشرفته TIM برای حفظ دمای اتصال زیر آستانه ایمنی، ضروری خواهد بود.