IGBT ヒートシンクの配線材料の熱伝導率を測定するにはどうすればよいですか?

IGBT ヒートシンク配線材料のサプライヤーとして、配線材料の熱伝導率の測定方法を理解することが重要です。熱伝導率は、材料がどれだけ効果的に熱を伝達できるかを決定する基本的な特性です。 IGBT ヒートシンクの場合、IGBT モジュールの最適な性能と寿命を維持するには、効率的な熱伝達が不可欠です。このブログ投稿では、IGBT ヒートシンクの配線材料の熱伝導率を測定するさまざまな方法を検討します。

IGBT ヒートシンクにおける熱伝導率の重要性

IGBT (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ) モジュールは、電気自動車、再生可能エネルギー システム、産業用モーター ドライブなどの高出力電子アプリケーションで広く使用されています。動作中、これらのモジュールは大量の熱を発生します。この熱が適切に放散されないと、IGBT モジュールの温度が上昇し、効率の低下、信頼性の低下、さらにはデバイスの故障につながる可能性があります。

IGBT ヒートシンクの配線材料は、熱伝達において重要な役割を果たします。熱伝導率の高い材料は、IGBT モジュールによって生成された熱をヒート シンク フィンに素早く伝達し、周囲の環境に放散できます。したがって、適切な材料を選択し、ヒートシンクの設計を最適化するには、配線材料の熱伝導率を正確に測定することが不可欠です。

熱伝導率の測定方法

1. 定常状態の方法

ａ．ガード付きホットプレート方式

ガード付きホット プレート法は、熱伝導率を測定するために最も広く使用されている定常状態法の 1 つです。この方法では、ルーティング材料のサンプルを 2 つの平らなプレート (ホット プレートとコールド プレート) の間に置きます。ホットプレートはサンプルに一定の熱流束を供給し、コールドプレートは熱を吸収します。熱電対を使用して、2 つのプレート間の温度差を測定します。

熱伝導率 (k) は、次の式を使用して計算できます。
[k=\frac{Q\cdot L}{A\cdot\Delta T}]
ここで、(Q) は熱流束、(L) はサンプルの厚さ、(A) はサンプルの断面積、(\ΔT) はホットプレートとコールドプレート間の温度差です。

ガード付きホットプレート法の利点は、その高い精度と信頼性です。固体、液体、気体など、さまざまな種類の物質の熱伝導率を測定できます。ただし、定常状態に達するまでに長い時間がかかるため、比較的遅い方法です。

b.熱流量計方式

熱流量計法も定常状態法です。これはガード付きホット プレート法に似ていますが、熱流束を直接測定する代わりに、熱流量計を使用してサンプルを通る熱伝達率を測定します。

熱流計は、熱流に比例した電圧を生成するサーモパイルで構成されています。サンプル全体の電圧と温度差を測定することにより、熱伝導率を計算できます。

熱流量計方式は、ガード付きホットプレート方式に比べて高速であり、薄い材料の熱伝導率の測定に適しています。ただし、特に熱伝導率の低い材料の場合、精度に制限がある場合があります。

2. 一時的な方法

ａ．トランジェントプレーンソース（TPS）方式

Transient Plane Source 法は、熱伝導率を測定するための一般的な過渡法です。この方法では、薄い円形の発熱体がルーティング材料の 2 つのサンプルの間に配置されます。発熱体は持続時間の短い熱パルスを生成するために使用され、サンプルの温度応答が時間の関数として測定されます。

熱伝導率は、数学的モデルを使用して温度 - 時間曲線を分析することによって決定できます。 TPS 法には、測定時間が速い、異方性材料を測定できる、適用できる熱伝導率の値が広範囲にわたるなど、いくつかの利点があります。

b.レーザーフラッシュ方式

レーザーフラッシュ法は、材料の熱拡散率の測定に一般的に使用され、熱伝導率の計算に使用できます。この方法では、サンプルの片面に短いレーザーパルスを照射し、もう一方の面の温度上昇を赤外線検出器を使用して測定します。

熱拡散率 ((\alpha)) は、温度が最大値の一定の割合に達するまでにかかる時間から計算されます。熱伝導率 (k) は、次の式を使用して計算できます。
[k=\rho\cdot C_p\cdot\alpha]
ここで、(\rho) は材料の密度、(C_p) は比熱容量です。

レーザーフラッシュ法は、熱伝導率の高い材料に適しており、比較的短時間で正確な結果を得ることができます。ただし、実験条件を正確に制御する必要があり、熱拡散率の低い材料には適さない場合があります。

熱伝導率の測定に影響を与える要因

1. 温度

熱伝導率は温度に依存します。一般に、ほとんどの材料の熱伝導率は温度が上昇すると低下します。したがって、正確な結果を保証するには、IGBT ヒートシンクの動作温度で熱伝導率を測定することが重要です。

2. サンプルの準備

サンプル前処理の品質は、熱伝導率の測定に大きな影響を与える可能性があります。サンプルは均一な厚さ、滑らかな表面、空隙や不純物がないものでなければなりません。サンプルに不均一性や欠陥があると、測定に誤差が生じる可能性があります。

3. 接触抵抗

サンプルと測定機器の間の接触抵抗も、熱伝導率測定の精度に影響を与える可能性があります。接触抵抗を最小限に抑えるために、サンプルとプレートまたはセンサーの間に適切なサーマルインターフェース材料を使用できます。

製品の推奨事項

当社では、以下を含む高品質のヒートシンクを幅広く提供しています。ファイブスター シルバー ヒートシンク 20W COB ライト用、銅スカイビング熱交換器ヒートパイプ銅ラジエーターヒートシンク、 そして銅押出長方形押出ヒートシンク 1u。当社のヒートシンクは優れた放熱性能を提供するように設計されており、ヒートシンクに使用されている配線材料は高い熱伝導率を備えています。

結論

IGBT ヒートシンク内の配線材料の熱伝導率を正確に測定することは、IGBT モジュールの効率的な動作を確保するために不可欠です。この目的には定常状態と過渡状態の両方の方法を使用できますが、それぞれに独自の利点と制限があります。温度、サンプルの準備、接触抵抗などの要素を考慮することで、より正確な測定結果を得ることができます。

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参考文献

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• ASTMインターナショナル。 （2019年）。熱流量計装置による定常状態の熱流束測定および熱伝達特性の標準試験方法。 ASTM C518。
• マレキ、M.、ハグダディ、A. (2015)。熱特性を測定するための過渡的な方法。熱伝導率では42.スプリンガー。