Fundering angående termisk ledningsförmåga till K/W

[blueint]

Funderar lite angående värmeledning:

Om man har en bit material med dimensionerna 2 mm tjock och en yta på 5 x 5 mm som har den termiska konduktiviteten 57,26 W/(m*K). Man tillför 5 W på ena sidan, hur varmt blir det på motsatt sida efter en tid som överstiger den rena uppvärmningen?

Kretskortet runtom leder iofs en del (1,7 W/(m*K)) men för enkelhetens skulle borde de gå att utgå från en ideal omgivning som är helt neutral.

Kikade här men blev inte så mycket klokare:
http://people.rit.edu/~rfaite/courses/h ... /P3_45.pdf

Vill kanske helst kunna omvandla 2 x 5 x 5 mm och 57,26 W/(m*K) till ett K/W värde.

W - watt
m - meter
K - kelvin

Hittade dock en bättre uppställning här:
http://www.csun.edu/~lcaretto/me375/hw04.doc

Där ges den termiska resistansen för en glassruta 1,2 x 2,0 meter (2,4 m²) med tjockleken 6 mm och 0,78 W/(m*K) som:

\(Termisk\ resistans\ =\ \frac{L}{kA} = \frac{m*K}{0,78 W}\times\frac{0,006\ [m]}{2,4\ [m^2]}\ =\ \frac{K}{W}\)

Alltså för detta fall bör det bli:

\(Termisk\ resistans\ =\ \frac{1}{termisk\ konduktans}\ \frac{m\times{K}}{W}\times\frac{tjocklek}{area}\ \frac{m}{m^2}\ =\ \frac{K}{W}\)

Med insatta värden:

\(Termisk\ resistans\ =\ \frac{1}{57,26}\ \frac{m\times{K}}{W}\times\frac{0,002}{0,005\times0,005}\ \frac{m}{m^2}\ =\ 1,4\ \frac{K}{W}\)

Med 5 W tillförd effekt bör temperaturdifferansen bli 7,0 K.

Korrekt räknat?

Anledningen till det hela är om man kan använda en "slug" med lödtenn för att avleda tillräckligt värme från en komponent som utvecklar värme. Kanske lödtennet till och med kan tjäna som koppling mellan chip till kylfläns?

Edit: 1,4 K/W istället för 1,3 K/W då avrundning uppåt ger större säkerhetsmarginal.

[xxargs]

min erfarenhet är att lödtenn leder mycket sämre med värmen än tex. koppar och att tex. fylla viahål med lödtenn i tron att det öka värmeöverföringen mellan tex ovansidan och kylande bottensidan av ett kretskort - i praktiken knappt märks någon alls i förbättring utan allt hänger på kopparens tjocklek i väggen i viagenomföringen, längden på viahålet och hur många av dessa man lyckas få in på den givna ytan som tex. under en ytmonterad effektrissa/RF-förstärkare...


värmeflödet i ett homogent material sprider sig i kon/pyramidform i ungefär 45 grader vinkel från kanten/omkretsen av hotspot genom materialet mot den kylande ytan. Är materialet laminerat som tex multilayer kretskort med koppar och FR4 i lager om vartannat mot en kylande yta så blir breddningen i etapper beroende på materialets värmeledningsförmåga.

det innebär att man kan vinna på att värmen från en väldigt koncentrerad punkt sprider sig på en kopparplatta med lite tjocklek innan man skall försöka ta värmen genom ett lager RF4-kretskort mot en kylande underlag

om ytorna är något så när jämnslipade så skall man helst låta det trycka metall mot metall med visst presstryck då även ett mycket tunt lager kylpasta försämrar värmeöverföringen drastiskt. Detta är viktigt med ytor med hög värmebelastning och kylpasta hjälper bara om det är grövre ojämna ytor med mycket luftgap som tryck emot varandra och effektbelastningen per mm^2 inte är så stor - och många gör felet att bre på tjocka lager pasta som smör på knäckebrödet i tron att den leder minst lika bra som ytorna som skall kylas - så är det inte, pastan kan förbättra lite genom utfyllning i ojämnheterna i ytan som inte är i direkt beröring med varandra på dom ihoppressade ytorna - men 90% av värmen går fortfarande i metalldelarna som fortfarande berör varandra i den ihoppressade ytorna och man gör sig björntjänst om man fyller på så mycket pasta att dom ytorna som fysiskt kan beröraa varandra och leder bra med värme, trycks isär pga. att pastan kommer emellan

[blueint]

Det var denna tråd som inspirerade samt att jag hittade en intressant lysdiod på ELFA:
electronics-related.com: DIY thermal vias (2009)

Visst är det skillnad på lödtenn och koppar men ingen jättedramatisk sådan:

Termisk konduktivitet: [W/(m*K)]

Kod: Markera allt

Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb 	57.26
Copper (Cu) 	         393 - 401

Problemet är att lödtenn smälter vid 216 °C medan koppar kräver 1084 °C.

Så att som i diskussionstråden ovan använda koppartrådar fastlödda mot föremålet som skall kylas verkade rätt lockande för lösa kylning utan kylpasta, köpe-flänsar, eller där utrymmet är trångt.

(vad är RF4?)

[xxargs]

skillnaden inte så stor !?

Koppar leder hela 6.8 ggr bättre än lödtenn och skall man hålla en transistor under 120 grader C vid 8 Watt ovanpå kretskort med ca 2 mm^2 fotprint under kapseln som avger hela värmemängden när kylande ytan under kretskortet är på +55 grader så kan jag lova att det är en jäkla skillnad.

om du trycker en slipad yta kopparstav direkt mot en fräst yta aluminium (ytjämnhet som den fina sidan av en diamatbryne ger - alltså inte spegelblankt) så har du bättre värmeöverföring än någon form av mellanlägg som mycket tunt lager kylpasta, lödtenn etc. då alla sådana försök ger sämre resultat än direkt naken metall tryckt mot varandra - jag har provat och jagade varje grad på transistorns kiseltemperatur när vi hade den typen av problem i en tillämpning inom elektronik.



RF4 är en felskrivning av FR4 som är ett vanlig bärare i mönsterkort.

[arvidb]

Korrekt räknat?

Jag tycker att det ser rätt ut (enheterna stämmer). Dock blir det 1,4 K/W, korrekt avrundat.

[blueint]

Oops skall förstås vara avrundning uppåt för att vara på den säkra sidan. Tänkte på att vara säker men det blev avrundning uppåt..

@xxargs, Visst är det skillnad på koppar och lödtenn men den är överkomlig för mindre belastningar. Problemet är att koppar smälter först när även komponenterna också har gjort det.

[blueint]

Hur hårt måste ytan av t.ex en "thermal pad" tryckas mot t.ex en bit bockad plåt som går igenom kretskortet (dvs inga viahål) ..?
Eller för den delen effekt-FET mot valfri standard kylfläns med utstickande flänsar?

[rikkitikkitavi]

Så pass hårt att materialet deformeras och en del luftbryggor överbryggas, annars så hårt som komponenterna tål. Även om värmeöverföringen inte förbättras lika bra över en viss kraft blir den inte sämre. Kraften brukar stå angiven i datablad för effektkapslar. För bästa värmeöverföring skall ytorna lappas spegelblanka.



För bästa koppling skall dessutom kapseln pressas med en klämma mot kroppen och inte skruvas i monteringshålet i "tabben".

Det är rätt att för små effekter räcker det med lödning, effektLED chip brukar vara lödda. Men det finns gränser, du kan tex inte avleda 40 W ur en To-263 även om du löder fast direkt på en kylfläns.

Jag tycker också du har räknat rätt.

[blueint]

Tryck mot en chipskapsel på kretskort med "pre-tinned" etc "thermal pad" kan vara knepig att komma åt med fjädrad metall. Kapslar för effekthalvledare (t.ex TO-220) brukar till skillnad vara designad för att skruvas och klämmas.

[rikkitikkitavi]

jag menade klämmas när jag skrev som jag gjorde , var inte tydlig ser jag.