Warum sind elektrisch isolierende Kühlkörper so selten? Ist es nur kostenpflichtig?

Bearbeiten: Es scheint, dass meine ursprüngliche Frage (Warum gibt es keine isolierenden Kühlkörper?) Auf einer falschen Prämisse beruhte, und es gibt tatsächlich isolierende Kühlkörper - ich konnte sie nur nicht mit einer flüchtigen Suche finden. Also ändere ich das, um stattdessen nach ihrer Seltenheit zu fragen.

Kühlkörper scheinen fast überall aus Aluminium, Kupfer oder einer Kombination davon zu bestehen. Das macht Sinn; Aluminium und Kupfer sind leicht zu verarbeiten und weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Diamant weist jedoch eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten aller bekannten Substanzen auf - es ist natürlich klar, dass Diamanten, die für die Verwendung als Kühlkörper geeignet sind,, gelinde gesagt, außerordentlich teuer wären, da es wahrscheinlich nur ein einziger sein müsste Kristall von Edelsteinqualität, aber wäre es nicht möglich, beispielsweise kubisches Bornitrid zu verwenden, das eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit aufweist?

Und ja, die Herstellungsschwierigkeiten bei der Herstellung eines großen Einkristalls aus c-BN wären wahrscheinlich ungefähr die gleichen wie bei der Herstellung eines großen Einkristalls aus Diamant, aber ich gehe davon aus, dass der Endpreis nicht so hoch ist, da es keine De Beers-Gruppe gibt Kommen Sie nach Ihnen für Bornitrid. Und es gibt sicherlich andere nichtmetallische Verbindungen, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und einige davon wären vermutlich besser für die Herstellung geeignet. Ich bezweifle, dass sie sich dem Preis von extrudiertem Aluminium annähern können, aber manchmal ist eine höhere Leistung erforderlich.

Zusammenfassend lautet meine Frage also: Sind es nur die Kosten, die nichtmetallische Kühlkörper so selten machen, oder gibt es einige andere Nachteile, die sie außerhalb der esoterischsten Anwendungen weniger wünschenswert machen?

Eine Sache, die andere Antworten offenbar nicht abgedeckt haben, ist, dass Sie nur eine sehr dünne Schicht eines elektrischen Isolators (bei geringen Spannungen) benötigen, während der Wärmeverteiler eines Kühlkörpers am besten funktioniert, wenn er dick ist. Daher ist es effizienter, eine dünne elektrisch isolierende Barriere gefolgt von einem dicken, billigen und einfach herzustellenden Metallkühlkörper zu verwenden, als ein einzelnes Stück eines Materials, das wärmeleitend und elektrisch isolierend ist. Die wenigen vorhandenen Materialien (wie Diamant) können nicht extrudiert oder auf andere Weise leicht in eine Kühlkörperform gebracht werden. Einige können gesintert werden, aber das Sintern kann im Allgemeinen nicht die Wärmeleitfähigkeit von Schüttgut erreichen. Der technische Effekt all dieser Materialwissenschaften ist, dass wir am Ende das tun, was wir immer getan haben.

Ein weiterer Faktor ist die Lagerhaltung: Wenn Sie sperrige, robuste Kühlkörper und eine geringere Anzahl (da nicht immer erforderlich) von kleinen, empfindlichen Isolierkissen lagern, nimmt Ihr Lager weniger Speicherplatz und Kapital in Anspruch, als wenn Sie zwei Arten von sperrigen Kühlkörpern lagern. Kosten und Leistung sind ohne den Isolator besser, wenn er nicht benötigt wird.

Dies ist kaum ein neues Problem; Menschen ab einem bestimmten Alter erinnern sich an die Kühlkörper mit Glimmerisolatoren für die TO-220- und TO-3-Pakete.

Das Thema war (zu der Zeit) sowohl Materialkosten als auch Verfügbarkeit und Materialwissenschaft. Wir haben im Laufe der Jahre einen langen Weg zurückgelegt, um die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Verbindungen zu verstehen. Es handelt sich jedoch immer noch um eine relativ neue Technologie (es gibt beispielsweise Wärmeleitpads, die es schon seit Jahrzehnten gibt, die aber keine eigentlichen Kühlkörper sind) richtig).

Der TO-220 verfügt über einen Wärmeverteiler am Kollektor / Abfluss des Geräts, der normalerweise eine erhöhte Spannung aufweist. In der typischen Anordnung wird diese Technik verwendet:

Quelle .

Es war nicht ungewöhnlich, auch eine Wärmeleitpaste zu verwenden, um die Wärmeübertragung zu maximieren.

Das erklärt nicht wirklich die relative Seltenheit von integrierten isolierten Kühlkörpern. das kommt wirklich darauf an, ob es notwendig ist, oder ob ich einfach die bekannte Methode eines Kühlkörpers und eines elektrisch isolierenden Barrierematerials verwenden kann, die billiger ist (zumindest ist es heute so).

Die altbewährte Methode hat sich seit vielen Jahrzehnten bewährt, aber für einige Anwendungen (insbesondere bei kleinen Geräten) ist eine solche Lösung möglicherweise nicht geeignet.

Es gibt durchaus ein paar Angebote zur Verfügung , aber sie sind in der Regel etwas teurer (auf einer pro - Watt - Basis) sein. Es wird auch viel an anderen Materialien geforscht .

Natürlich können Sie diese für den Bling-Faktor verwenden .

Es kommt also auf eine Reihe von Dingen an und die Kosten sind ein Haupttreiber. Ich werde auch bemerken, dass ein großer Markt für Kühlkörper für CPUs und GPUs besteht, bei denen das Gehäuse des IC ohnehin elektrisch isoliert ist.

Erwähnenswert sind Polymerkühlkörper . Polymerkühlkörper sind keine Seltenheit. Hin und wieder stoße ich auf Polymerkühlkörper für Industrie-, Automobil- und Prosumer-Produkte. Sie sind oft schwer als Kühlkörper zu erkennen, da sie einen zweiten mechanischen Zweck haben können (ein Gehäuse, eine Halterung, einen Reflektor einer Lampe). Diese Kühlkörper sind immer kundenspezifische Spritzgussteile.

Polymere haben im Vergleich zu jedem Metall eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Dies wirft die Frage auf: Wie kann ein Polymer einen akzeptablen Kühlkörper bilden? In einigen Fällen wird der Wärmewiderstand des Kühlkörpers eher durch die Übertragung vom Kühlkörper auf die Luft als durch die Leitung innerhalb des Kühlkörpers selbst bestimmt. Dies kann passieren, wenn Wärme mit natürlicher Konvektion in die Luft abgegeben wird. In diesen Fällen ist ein Kühlkörper aus einem speziellen Polymer mit einer relativ hohen Wärmeleitung ( erforderlich$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 ist der Kunststoff ( Quelle )

Einige zusätzliche Diskussionen in dieser alten Antwort .

Das Besondere an einem Kühlkörper ist, dass es nur zwei Möglichkeiten gibt, die Wärme, die Wärmeleitung und die Strahlung endgültig abzuführen.

Unter der Annahme, dass Ihr Emissionsgrad annähernd 1 ist (nur dann, wenn Sie HEISS laufen können, der Strahlungsverlust die 4. Potenz der absoluten Temperatur ist), können Sie letztendlich einen guten Wärmekontakt mit dem umgebenden Kühlmedium (Luft) herstellen , Wasser, was auch immer), woraus du es machst, ist nur ein bisschen von Bedeutung (Diese Schnittstelle ist der Mörder für die Leistung, nicht die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers in großen Mengen).

Nun müssen Sie den Kühlkörper eindeutig so konstruieren, dass die Wärme einigermaßen effizient durch ihn strömt, und zwar in dem Bereich, in dem es eine große Leistungsflussdichte gibt, die möglicherweise für etwas anderes als einen Verbündeten sprechen könnte, für den Großteil des Dings, in dem Sie viel Metall haben um Delta T niedrig zu halten, ist das billigste das beste.

Bei einem Wärmeverteiler oder einer Isolierscheibe ist es natürlich anders, Wärmeverteiler werden definitionsgemäß verwendet, wenn die Leistungsflussdichte sehr hoch ist und ein minimaler Wärmewiderstand eine sehr gute Sache ist, daher wird in dieser Rolle üblicherweise Kupfer verwendet.

Für den Isolator werden zwar exotische Materialien verwendet, da ein guter Wärmeleiter, der auch ein elektrischer Isolator ist, nicht so verbreitet ist, so dass Bornitrid, Aluminiumoxid, Berylliumoxid (!) Und dergleichen alle hier zum Einsatz kommen und ich nicht Schockiert von jemandem, der Diamant verwendet (wahrscheinlich in einem seltsamen RF-Gerät).

Aus technischer Sicht ist es durchaus möglich, Kühlkörper mit eingebauten Isolatorpads herzustellen. Der Grund, warum sie es nicht tun, ist die Wirtschaft.

Zwischen den verschiedenen mechanischen, elektrischen und thermischen Möglichkeiten gibt es viele verschiedene Kombinationen. Wenn der Isolator und der Kühlkörper ein Teil wären, müssten die Anbieter viel mehr eindeutige Teilenummern auf Lager haben.

Indem der Isolator und der Kühlkörper in einzigartige Produkte zerlegt werden, hat der Benutzer eine viel größere Auswahl.

Hier sind einige der Dinge zu beachten.

1) In vielen Fällen wird der Benutzer Spaltpolster zwischen Kühlkörpern und heißen Bauteilen verwenden, um Spiel in mechanischen Toleranzen auszugleichen. Dies bedeutet, dass jeder Benutzer möchte, dass das Pad eine andere Dicke hat.

2) Die Materialien der Wärmeisolationskissen unterscheiden sich darin, wie gut sie sich an raue Oberflächen anpassen können. Es gibt oft einen Kompromiss zwischen der Quetschbarkeit des Materials und der Wärmeleitfähigkeit.

3) Verschiedene Benutzer haben unterschiedliche Isolationsanforderungen in Bezug auf die Spannung. Zwischen der Isolationsspannung, der Materialstärke und dem Wärmewiderstand besteht ein Kompromiss.

3) Das Hinzufügen eines Isolators zwischen einem Kühlkörper und einem Teil hat einen Nachteil in Bezug auf den Wärmewiderstand. Wenn es möglich ist, keine Isolierschicht zu verwenden, erhalten Sie in diesem Fall die beste Wärmeleistung.

Der beste Kompromiss besteht darin, eine extrem dünne Schicht mit großer Oberfläche und einer hohen Nennspannung [kV / mm] mit einer ausreichenden Härte herzustellen, um nicht geschnitten oder durchstochen zu werden, sondern auch niedrige Kosten zu verursachen.

Wärmeleitende Isolatoreigenschaften umfassen;

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

Alle elektrischen Isolatoren sind "Dielektrika". Alle Kühlkörper sind gute Wärmeleiter.
In festen Stoffen kann es jedoch teuer sein, beides als gute Eigenschaften zu haben.
Phasenwechselmaterialien , die Flüssigkeit unter Druck setzen, um eine mögliche Lösung zu finden.

Aufgrund der extrem flachen Eigenschaften verwenden CPUs in der Regel Keramikglas als thermisches Oberteil für den Kühlkörper.

Für Netzspannungstriacs war Glimmer das beste Material für 5-kV-Impulsschutz und Wärmeleitung mit Wärmeleitpaste.

Dielektrische Flüssigkeiten wie Transformatorenöl sind auch gute Wärmeisolatoren mit Wärmestrom.

Leistungsdaten für den Materialvergleich Verwendung von wärmeleitenden Isolatoren;

Wärmeleitfähigkeit [W / mK] ,
Dicke [um] , Shore-Härte [00] ,
Spannungsfestigkeit [kV / mm] und
thermische Impedanz [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$$\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$

Traditionelle Lösungen; wurden Glimmer, 3M Klebeband und einige Polymerbänder.

Die beste wirtschaftliche Lösung von Aavid Thermalloy ist:

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

Bei der Umluftwärmeabfuhr zählt nicht das CFM, sondern es wird häufig darüber berichtet, dass die Kühlung durch die turbulente Oberflächenluftgeschwindigkeit im Mittel [m / s] gesteuert wird.

Das Produkt dieser beiden Parameter führt zu den besten Materialeigenschaften, jedoch nicht zu den günstigsten.

Eigentlich gibt es eine gute Lösung: Aluminium. Eloxiertes Aluminium. Durch die Anodisierung wird die Oberfläche in Aluminiumoxid umgewandelt, das ein Isolator ist. Gute Nachricht: Die Oberfläche wird vergrößert, um die Wärme an die Umgebungsluft abzuleiten. Schlechte Nachrichten nicht eine flache, glatte Oberfläche, zum des Energiengeräts in Kontakt zu treten, das die Hitze bildet. Lösung: Wärmeleitpaste (auch "Fett" genannt). Wichtige Hinweise: Es gibt verschiedene Verfahren zum Eloxieren von Aluminium. Die meisten hübschen Sachen sind "Klasse I", die weich ist, oder "Klasse II", die mäßig hart ist. Sie können Klasse II verwenden. Wenn das zu kühlende Gerät keine Relativbewegung ausführt und fest am Kühlkörper angeklemmt ist und keine Grate oder Kratzer vorhanden sind, funktioniert dies gut. Zu viele " wenn " & ""s für Sie? Dann ist" Class III "-Anodisierung genau das, was Sie wollen. Es ist in der Regel ungleichmäßig gefärbt und das Schwarz hat einen bräunlichen oder violetten Farbton. Es ist fast so hart wie Diamanten und ziemlich kratzfest. Benötigt noch Fett. Aber kein Isolator bei vernünftigen Spannungen. Militär und Luftfahrt haben dies über 50 Jahre lang verwendet, entweder als dünne (~ 0,025 ") eloxierte Unterlegscheiben (ähnlich wie gestanzte TO-3-Isolatoren aus Glimmer) oder als gesamtes Gehäuse (Think Missiles). Heutzutage schwer zu finden und kostet mehr als andere Lösungen, macht den Job aber gut.

Verwenden Sie für das "Fett" Silikon (nicht auf Erdölbasis), Aluminiumoxid (nicht Zinkoxid) von Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly oder Saint-Gobain. Die Boutique-Produkte auf Silber- und Kupferbasis zum Übertakten von PC-Spielern sind sowohl teuer als auch leitfähig. Dies ist in Ordnung für Anodisierungen der Klasse III, sofern diese nicht auf die stromführenden Teile migrieren, fallen, austrocknen, pudern oder abblättern (nur nicht verwenden). Wenn Sie wirklich viel Wärme mit Fett koppeln müssen, ist Berylliumoxid um ein Vielfaches besser als Aluminiumoxid. Behandle es einfach wie Asbest: Lecke es nicht, iss es nicht, atme es nicht ein. Es ist hautreizend, also trage Handschuhe und bereite dich auf den Ansturm einer "giftigen Hexenjagd" vor. Diese Fette müssen nur 0,0001 "bis 0,0005" unter dem Gerät dick sein (Art von durchscheinend). Mit einem kleinen Plastik- oder Metallrakel auftragen. Verwenden Sie für Produktionsmengen eine Schablone (dieselbe Art von Schablonenmaterial wie für Lötpaste ~ 0,005 "SS) und eine Rakel.

Ich habe Kühlkörper mit einer dünnen Keramikbeschichtung im Montagebereich gesehen, aber der Unterschied von Cte ist ein Problem und kann die dünne Keramik zerbrechen.

Hoffe das hilft, ich habe dies aus> 40 Jahren zwischen Elektronen und Elektronenlöchern gewandert.

Insgesamt vermute ich, dass die Vermeidung von "Verschleiß" vor Ort und der damit verbundene teure Austausch ein wesentlicher Grund für allgemeine Anwendungen ist, bei denen kristalline Kühlkörper vermieden werden. Das heißt nicht, dass Metallkühlkörper im Feld niemals versagen. Im Allgemeinen wäre der Austausch von Metallkühlkörpern im Feld jedoch viel billiger und erfordert im Vergleich zu kristallinen Kühlkörpern eine viel weniger spezialisierte Ausrüstung.

Das heißt, zu Beginn wäre die maschinelle Bearbeitung von kristallinen Kühlkörpern im Allgemeinen teuer und es würde aufgrund thermischer und mechanischer Beanspruchung zu einem Bruch kommen. Sie könnten immer noch die akzeptablen Gesamtkosten einhalten, wenn all dies in einer speziellen Kühlkörperfabrik passiert. Aber es ist nicht ungewöhnlich, dass Endanwendungshersteller den Kühlkörper zuschneiden müssen, um ihn anzupassen usw.

Als zweites Mal in einer Feldanwendung sind viele Kühlkörper thermischen und mechanischen Stößen und Vibrationen ausgesetzt, die möglicherweise außerhalb der 100% igen Überlebensrate für kristalline Kühlkörper liegen. Gute alte Metallkühlkörper hingegen können einiges an Missbrauch und Biegung vertragen. Einige dienen sogar sekundär als mechanischer Befestigungspunkt am äußeren Chassis einer größeren Baugruppe.

Auch bei kristallinen Kühlkörpern können die Befestigungselemente zu Versagenspunkten anstelle des Kühlkörpers werden. Ein weicheres Befestigungselement würde Vibrationsschäden am Kühlkörper ausgleichen, jedoch allmählich durch dieselben Vibrationen und Biegungen durchgesägt werden.

Aus kristallinen Kühlkörpern würde sich also wahrscheinlich gelegentlich ein Reparaturgegenstand auf dem Gebiet ergeben ... vorausgesetzt, es werden intelligente thermische Abschaltungen und Warnmeldungen durchgeführt. Überlegen Sie sich nun, welche Spezialwerkzeuge vor Ort benötigt werden und welche Bruchraten auftreten können, wenn Ihre durchschnittliche Technik versucht, den Austausch zu bewältigen. Ich wette, Kühlkörper wären etwas, was viele Unternehmen, Regierungen und Privatkunden von lokalen Technikern erwarten würden, selbst wenn sie keine Schaltkreise wären. Nur ein Schraubenschlüssel-Job, oder?