Aluminium biedt ruwweg 60 procent van de elektrische geleidbaarheid van koper bij ongeveer 30 procent van de dichtheid, en gesmede legeringen bereiken waarden voor thermische geleidbaarheid die het tot het standaard warmteverspreidende materiaal in de elektronica maken. Selectie van legering en tempering, interfaceweerstand, vlakheid van de montage en oppervlaktebescherming bepalen of een ontwerp voldoet aan de beoogde junctietemperatuur.
Waarom aluminium de warmteverspreiding domineert
Thermische geleidbaarheid is het eerste selectiefilter, maar is niet uniform voor alle legeringen. Legeringselementen en temperering verminderen de geleidbaarheid ten opzichte van hoog-zuiver metaal, dus een specificatie die eenvoudigweg aluminium zegt, is niet geschikt voor een thermisch ontwerp.
| Materiaal | Typische thermische geleidbaarheid | Typisch gebruik |
|---|---|---|
| 1050A, 1350 geleiderkwaliteiten | Ongeveer 230 W/mK | Busbars, folie-afscherming, platen met hoge- geleidbaarheid |
| 6063 geëxtrudeerd profiel | Ongeveer 200 W/mK | Koellichamen, behuizingen, kanalen |
| 6061-T6 plaat en extrusie | Ongeveer 167 W/mK | Structurele chassisdelen die ook warmte geleiden |
| 3003 vel | Ongeveer 190 W/mK | Koude platen en gesoldeerde assemblages |
| Koper, ter vergelijking | Ongeveer 400 W/mK | Alleen gebruikt waar verspreiding anders niet mogelijk is |
Een dichtheid van ongeveer 2,70 g/cm3 is de tweede reden waarom aluminium wint: dezelfde massa van het koellichaam geeft een groter verspreidingsgebied dan koper, en extrusie maakt complexe vingeometrieën mogelijk tegen lage gereedschapskosten. De thermische diffusiviteit van kandidaatmaterialen wordt gemeten met ASTM E1461 met behulp van de laserflitsmethode wanneer een ontwerp afhankelijk is van transiënt gedrag in plaats van een stabiele toestand.
Legering- en temperselectie voor koellichamen
Geëxtrudeerde koellichaamprofielen worden normaal gesproken gespecificeerd volgens ASTM B221. Legering 6063 in de T5-temperatie geeft een minimale treksterkte van 150 MPa en een minimale vloeigrens van 110 MPa, met de oppervlaktekwaliteit die nodig is voor zichtbare geanodiseerde onderdelen. De hogere- sterkte van 6063-T6 bereikt minimumwaarden van 205 MPa treksterkte en 170 MPa rekgrens, en wordt gebruikt waar het profiel structurele belasting draagt. Legering 6061-T6 bereikt minimumwaarden van 260 MPa treksterkte en 240 MPa rekgrens en is gekozen voor machinaal bewerkte koude platen en beugels die schokken en trillingen moeten overleven. Tempers worden systematisch gedefinieerd onder ANSI H35.1, waardoor de taal tussen fabriek en fabrikant eenduidig wordt geordend.
Thermische interface en montagepraktijk
De interfaceweerstand overschrijdt vaak de weerstand van het koellichaam zelf. Thermische interfacematerialen worden qua thermische impedantie en geleidbaarheid gekarakteriseerd door ASTM D5470, en de gemeten waarde hangt sterk af van de druk en de dikte van de verbindingslijn. Daarom mag de afbeelding op het gegevensblad alleen worden gebruikt met de aangegeven testdruk. Praktische regels zijn om de vlakheid van de basis binnen 0,05 mm boven 50 mm te houden, de oppervlakteruwheid tussen ongeveer 0,8 en 1,6 micron Ra op beide pasvlakken te houden, en een gecontroleerd montagekoppel te gebruiken met een veerklem of schroefpatroon dat kromtrekken van de basis voorkomt. Waar elektrische isolatie vereist is, zijn de dikte van het isolatiekussen en de thermische impedantie prestatiebeperkend-en moeten als paar worden gespecificeerd.
Oppervlakteafwerking, corrosie en betrouwbaarheidstesten
Anodiseren is de gebruikelijke afwerking: ISO 7599 definieert coatingaanduidingen van AA10 tot AA25, waarbij het getal de nominale coatingdikte in microns aangeeft. Een heldere anodisatie van 10 tot 15 micron is voldoende voor elektronica binnenshuis, terwijl behuizingen voor buiten doorgaans 20 micron of meer nodig hebben, wat wordt geverifieerd door een neutrale zoutsproeitest volgens ISO 9227 gedurende 240 tot 480 uur. Stroomloos vernikkelen wordt gebruikt waar soldeerbaarheid of elektrisch contact nodig is. De kwalificatie voor temperatuurwisselingen volgt gewoonlijk IEC 60068-2-14, en langdurige corrosie en hechting van de afwerking worden gedocumenteerd via dezelfde zoutsproeiroute volgens ISO 9227. Aluminiumfolie wordt ook gebruikt in elektromagnetische afschermende laminaten en kabelwikkels, waarbij dunne diktes en hoge geleidbaarheid de ontwerpfactoren zijn.
Veelgestelde vragen
Q:Welke aluminiumlegering is standaard voor geëxtrudeerde koellichamen?
A: Legering 6063 in T5-temperatie is de standaardkeuze, gespecificeerd volgens ASTM B221 met een minimale treksterkte van 150 MPa en een minimale vloeigrens van 110 MPa.
Q:Is aluminium of koper beter voor een koellichaam?
A: Koper geleidt grofweg twee keer zo goed, maar aluminium heeft ongeveer een derde van de dichtheid en kost minder om te extruderen. Aluminium wint in de meeste ontwerpen met geforceerde lucht- zodra rekening wordt gehouden met het verspreidingsoppervlak en de massa.
Q:Hoe worden de thermische interfaceprestaties gespecificeerd?
A: Door thermische impedantie gemeten volgens ASTM D5470 bij een aangegeven druk en lijmlijndikte. Een geleidbaarheidscijfer zonder de testomstandigheden is geen bruikbare specificatie.
Q:Welke anodisatiedikte wordt gebruikt voor elektronische behuizingen?
A: Blanke anodisatie van 10 tot 15 micron volgens ISO 7599 is geschikt voor onderdelen binnenshuis, terwijl buitenbehuizingen doorgaans 20 micron of meer vereisen met zoutsproeiverificatie volgens ISO 9227.
Q:Vermindert anodiseren de prestaties van het koellichaam?
A: De anodische laag heeft een lage geleidbaarheid, maar is slechts micron dik, dus de toegevoegde weerstand is klein vergeleken met het grensvlak. Dikke decoratieve coatings moeten nog steeds worden vermeden op kritische pasvlakken.
Q:Hoeveel vlakheid heeft een koellichaambasis nodig?
A: Ongeveer 0,05 mm boven 50 mm is een praktisch doel. Een slechtere vlakheid dwingt tot een dikkere verbindingslijn en doet het voordeel van een hoogwaardig- interfacemateriaal teniet.