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研究生:呂紹鋒
研究生(外文):Shao-feng Lu
論文名稱:具熱傳導及黏結性絕緣片應用於散熱模組之分析與研究
論文名稱(外文):The analysis and study of insulation that have heat conduction and adhesive character applied to thermal module
指導教授:鄭正元鄭正元引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:絕緣散熱功率晶體電源供應器
外文關鍵詞:InsulationThermalMOSFETPower supply
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本研究主要探討一種具有黏性及耐電壓之絕緣材料應用於功率晶體與散熱模組間之熱傳遞與可靠度的影響,並透過以電源供應器為例之實驗法找出適合絕緣片之結合壓力與烘烤溫度及時間參數,藉此改善現今電子產品散熱模組中功率晶體需透過螺絲固定達到結合目的之缺點,以防止長時間操作下造成螺絲扭力下降導致電子系統失效,並藉以增加設計所使用之空間。
本研究使用LMS1000絕緣片,作為散熱模組上TO-220型式電阻與Al-6063散熱鰭片之結合介質,施以固定100psi(7.03㎏/㎝2)壓力後,以溫度175℃時間10分鐘進行烘烤,在冷卻後其電阻與散熱鰭片結合介質之破壞推力平均可達44.2㎏、平均剪應力可達254.7psi(17.8㎏/㎝2),並可通過直流500V高電壓測試、扭力測試可超過14kgf-cm不至脫落,溫度分佈可近似於傳統螺絲固定方式之散熱模組。
此製作參數實際應用於380W電源供應器上,其溫度分佈可近似於傳統螺絲固定方式,並可通過分別針對X、Y、Z三軸進行以固定0.5g加速度、頻率為10~500Hz週期進行一小時開機振動測試及分別針對X、Y、Z三軸以固定2g加速度、頻率為10~300Hz週期進行一小時關機振動測試;可通過分別針對X、Y、Z三軸以一次半正弦波形式及11毫秒(11ms)5g加速度方式進行開機衝擊測試及分別針對X、Y、Z三軸以一次半正弦波形式及11毫秒(11ms)30g加速度方式進行關機衝擊測試;可通過低溫-40℃至高溫70℃循環50次之冷熱衝擊測試;亦可通過模擬開機時位於高空7000呎及關機時位於高空40000呎之狀態測試。在可靠度方面,原380W電源供應器使用傳統螺絲固定散熱模組之MTBF值可達129331.9小時,若更換LMS1000絕緣片散熱模組,因部分功率晶體溫度升高,導致MTBF值降低為113194小時。
可證明使用該參數之結合方式可有效的使功率晶體溫度傳遞至散熱模組且近似於傳統螺絲固定方式之功能,並可通過相關環境測試,足以應用於電源供應器上以提升產品之穩定性,並提供設計規範給階段參考。
This study is trying to find out the influence of adhesive and breakdown voltage insulation material applied between MOSFET and thermal module on the heat transfer and reliability. This study uses experimental method using power supplies as an example to improve the drawback of using screws to fix the MOSFET on the thermal module, prevent the decreasing torsion of screws to result in system fail in long a long period of time, also, increase the space for the design.
This study uses LMS1000 insulator film as a medium to fix TO-220 resistor on the thermal module and AI-6063 heat-sink, adding 100psi pressure (7.03 kg/cm2), toasting at 175℃ for 10 minutes. After cooling down, the destructive push force of the medium between the resistor and heat-sink reach 44.2kg in average and the shearing stress can reach 254.7psi (17.8 kg/cm2) in average. Also, it can pass DC 500V Hi-pot test and it won’t ablate after 14kgf-cm torsion test. The distribution of the temperature is similar to the thermal module of traditional method which is fixed by screws.
The parameter is applied on 380W power supply and the distribution of the temperature is similar to the tradition method which is fixed by screws. First, it not only passes the 1-hour operating vibration test on the condition of 0.5g constant acceleration and 10-500Hz frequency from X, Y and Z axes respectively, but also passes 1-hour non-operating vibration test on the condition of 2g constant acceleration and 10-300Hz frequency. Second, it passes the operating shock test on the condition of half sine-wave, 11ms, and 5g acceleration and non-operating shock test on the condition of half sine-wave, 11ms, and 30g acceleration from X, Y and Z axes respectively. Third, it passes fifty times thermal shocks from -40℃ to 70℃ and passes 7,000 feet operating and 40,000 feet non-operating simulate altitude test. In the aspect of the reliability, the MTBF of the 380W power supply which using traditional thermal module fixed by screws can reach 129,331.9 hours. However, if using LMS1000 insulator on thermal module, the MTBF will reduce to 113,194 hours because of the increasing temperature of some MOSFET.
This study demonstrates that using the parameter of fixing method is effective in transferring the heat from MOSFET to the thermal module and the result is similar to the traditional method which is fixed by screws. It passes the environmental tests. Therefore, this method is sufficient to be applied to the power supplies to increase the stability of the product. And provide a design guide line for design stage reference.
摘要......................................... i
ABSTRACT..................................... iii
誌謝......................................... v
目錄......................................... vi
圖目錄....................................... ix
表目錄....................................... xii
符號索引..................................... xiii

第一章 緒論.................................. 1
1.1前言...................................... 1
1.2 研究動機................................. 2
1.3 研究目的................................. 4

第二章 文獻探討.............................. 5
2.1 文獻回顧................................. 6
2.2 電源供應器探討........................... 9
2.2.1 電源供應器架構及運作原理............... 9
2.2.2 電源供應器之主要發熱元件............... 15
2.3 電源供應器之散熱......................... 18
2.3.1 熱傳導(Conduction)..................... 19
2.3.2 熱對流(Convection)..................... 21
2.3.3 熱輻射(Radiation)...................... 21
2.4 絕緣片物理特性........................... 22
2.5 電子產品可靠度、穩定性及環境測試......... 23
2.5.1 電子產品可靠度與穩定性................. 24
2.5.2 電子產品環境測試....................... 27
2.5.2.1 高電壓測試(Hi-POT Test).............. 28
2.5.2.2 溫度測試(Thermal Test)............... 29
2.5.2.3 振動測試(Vibration Test)............. 31
2.5.2.4 衝擊測試 (Shock Test)................ 32
2.5.2.5 冷熱衝擊測試(Thermal Shock Test)..... 33
2.5.2.6 高空測試(Altitude Test).............. 35

第三章 研究流程及方法........................ 36
3.1 研究分析................................. 36
3.2 實驗流程................................. 39
3.3 簡化散熱模組設計......................... 42
3.4 電源供應器之散熱模組設計................. 46
3.5 實驗設備................................. 46
3.6 實驗規則................................. 52
3.6.1 簡化散熱模組製作....................... 52
3.6.1.1 傳統簡化散熱模組製作................. 53
3.6.1.2 LMS1000絕緣片黏結固定簡化散熱模組製作.53
3.6.2 簡化散熱模組溫度實驗....................60
3.6.3 電源供應器樣品製作與實驗方法............62

第四章 實驗結果分析...........................65
4.1 簡化散熱模組分析......................... 65
4.1.1 製作參數選擇........................... 65
4.1.2 溫度分佈分析............................72
4.1.3 成本分析............................... 73
4.1.4 結論................................... 75
4.2 電源供應器環境測試分析................... 76
4.2.1溫度測試(Thermal Test).................. 76
4.2.2 振動測試(Vibration Test)............... 79
4.2.3 衝擊測試(Shock Test)................... 82
4.2.4 冷熱衝擊測試(Thermal shock Test)....... 85
4.2.5 高空測試(Altitude Test)................ 86
4.2.6 結論................................... 87
4.3 可靠度................................... 88
4.3.1 絕緣片可靠度........................... 88
4.3.2 電源供應器可靠度....................... 89

第五章 結論與建議............................ 92
5.1 結論..................................... 92
5.2 建議..................................... 94


參考資料..................................... 98
作者簡介..................................... 101
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