Obrázok 1Zobrazovanie silnoprúdových{0}}elektrických modulov pomocou termokamery často odhaľuje zalievaciu vrstvu ako dominantný tepelný odpor -, čo je premenná, ktorá chýba vo väčšine pôvodných tepelných modelov.
Tepelný model ukázal teplotu spojenia 95 stupňov pri plnom zaťažení. Montáž prebieha pri 118 stupňoch. Návratnosť komponentov začína po 14 mesiacoch - posun prahu IGBT brány, porucha elektrolytického kondenzátora, únava spájkovaného spoja sústredená okolo zóny vysokého- rozptylu. Technický tím skúma kvalitu komponentov. Hmotnosť PCB medi. Odpor kontaktu chladiča. Nikto neotvorí tepelný model a nepridá riadkovú položku pre epoxidovú zalievaciu hmotu medzi komponent a obvodovú stenu. Táto riadková položka, ak by bola zahrnutá, by vykazovala príspevok k tepelnému odporu 0,04 – 0,06 K/W na cm² pri štandardnej hrúbke zalievania -, čo je dostatočné na to, aby sa zohľadnila väčšina nezrovnalostí medzi modelom a meraním.
Štandardné epoxidové zalievacie hmoty s 0,5 W/m·K nie sú tepelne neutrálne v dizajnoch s hrubými -odrezmi. Sú to tepelné izolátory s funkciou spomaľujúcej horenie-. Zaobchádzanie s nimi ako s tepelne transparentnými v tepelnom modeli výkonovej elektroniky je príčinou, nie symptómom problému s teplotou spoja.
Tepelný odpor zalievacej vrstvy: kvantitatívne hodnotenie
Tepelný odpor cez rovinnú vrstvu sa vypočíta ako R=t / (k × A), kde t je hrúbka vrstvy, k je tepelná vodivosť a A je plocha prierezu-. Pre štandardnú zalievaciu zmes pri k=0.5 W/m·K:
Pri hrúbke 10 mm, ploche 1 cm²: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
Pri hrúbke 15 mm, ploche 1 cm²: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
Pri hrúbke 20 mm, ploche 1 cm²: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Nie sú to zanedbateľné hodnoty. Výkonový modul, ktorý rozptýli 5 W cez zalievaciu časť s rozmermi 15 mm × 1 cm², zaznamená nárast teploty o 1,5 stupňa naprieč zaliatím pri 0,5 W/m·K -, čo znie málo, kým plocha prierezu- nebude 2 cm², rozptyl je 20 W a horúce miesto sa skoncentruje. V hustých usporiadaniach napájacích modulov, kde viaceré rozptyľujúce komponenty zdieľajú zaliaty objem, kumulatívny tepelný odpor zalievacej vrstvy prispieva 15 až 30 stupňov ku križovatke-k-okolnému rozpočtu v návrhoch, kde tento príspevok nebol modelovaný.
Pri k=1.5 W/m·K tá istá geometria vytvára jednu- tretinu tepelného odporu. To, či je toto zníženie zmysluplné, závisí od toho, aké sú ostatné odpory v tepelnej ceste -, ak dominuje odpor spoja-k-puzdru komponentu, zlepšenie zalievacej zmesi má malý úžitok. Tepelný odpor zalievacej vrstvy je najdôslednejší, keď je dominantným pojmom v ceste, ktorý sa vyskytuje v konštrukciách s hrubými -sekciami s relatívne nízkym-odporom chladiacich ciest na vonkajšom povrchu.
Obrázok 2V sekcii zalievania s hrúbkou 15 mm sa pri prechode z 0,5 W/m·K na 1,5 W/m·K zníži tepelný odpor zalievacej vrstvy približne o dve- tretiny. Či je toto zníženie významné, závisí od relatívnej veľkosti iných odporov v tepelnej ceste.
Tam, kde dominuje tepelná odolnosť hrubej{0}}časti
Nie každá zalievacia zostava je citlivá na tepelnú vodivosť zalievacej hmoty. Nasledujúce konštrukčné podmienky identifikujú prípady, kde je pravdepodobné, že zalievacia vrstva bude dominantným tepelným odporom:
Hrúbka zalievacej časti nad 8–10 mm.Pod týmto rozsahom je absolútny tepelný odpor zalievacej vrstvy typicky malý v porovnaní s inými odpormi v ceste. Nad týmto rozsahom, najmä ak je chladiacim povrchom vonkajšia stena krytu, sa často stáva dominantným pojmom zalievacia vrstva.
Hustota rozptýleného výkonu nad 1 W/cm² v rámci objemu nádoby.Pri nízkej hustote rozptylu zostáva teplotný rozdiel naprieč zalievacou vrstvou v prijateľných medziach aj pri 0,5 W/m·K. Keď sa hustota výkonu zvyšuje, rovnaký tepelný odpor vytvára proporcionálne väčšie teplotné rozdiely.
Topológia chladiacej dráhy, kde teplo musí viesť cez zalievaciu vrstvu, aby sa dostalo na chladiaci povrch.V zostavách, kde je primárnou chladiacou dráhou chladič alebo stena krytu a zaliaty objem oddeľuje komponent od tohto povrchu, neexistuje obtoková cesta - 100 % rozptýleného tepla komponentu, ktoré musí viesť cez zaliatie. V zostavách, kde sa súčiastka môže ochladzovať cez vodiče, medenú rovinu PCB alebo priamy kontakt s krytom, je príspevok zalievania znížený.
Aplikácie v nepretržitej prevádzke bez úľavy pri tepelnom cyklovaní.Komponent, ktorý sa nepretržite pohybuje blízko svojho teplotného limitu spoja, akumuluje degradáciu lineárne. Zníženie teploty spoja o 15 stupňov - dosiahnuteľné výberom zalievacej zmesi v niektorých geometriách - môže zdvojnásobiť životnosť komponentov pri degradácii modelu Arrhenius-.
Prečo je štandardná epoxidová tepelná vodivosť nízka a čo ju zvyšuje
Neplnené a slabo plnené epoxidové živice majú tepelnú vodivosť v rozsahu 0,15–0,25 W/m·K. To je vlastné tomu, že polymérne reťazce -sieťovanej polymérnej matrice - sú zlými tepelnými vodičmi, pretože prenos tepla v amorfných polyméroch prebieha predovšetkým prostredníctvom vibračného prenosu energie pozdĺž reťazcov, čo je v porovnaní s kryštalickými materiálmi neefektívne. Hodnoty 0,5 – 0,7 W/m·K typické pre štandardné epoxidové zmesi spomaľujúce horenie- predstavujú určitý obsah plniva - zvyčajne rovnaké anorganické plnivá, ktoré prispievajú k -funkcii spomaľovania horenia -, ale pri zaťažení plniva optimalizovanom pre spracovateľnosť a plameň, nie pre tepelnú vodivosť.
Dosiahnutie 1,5 W/m·K si vyžaduje výrazne vyššie zaťaženie plniva tepelne vodivými anorganickými časticami - typicky hydroxidom hlinitým, oxidom hlinitým alebo nitridom bóru pri objemových frakciách nad 50 %. Kompromisom-je prudké zvýšenie viskozity základnej zložky: formulácia dodávajúca 1,5 W/m·K bude mať zvyčajne základnú viskozitu v rozsahu 500 000 – 1 500 000 cps pri 25 stupňoch v porovnaní so 4 000 – 10 000 cps pre štandardný nehorľavý{1} systém. Tento rozsah viskozity vyžaduje mechanické pred{18}}miešanie a najlepšie vyhrievané dávkovanie pri 50 stupňoch, aby sa dosiahlo prázdne{20}}vyplnenie v uzavretých zalievacích dutinách. Zvýšenie tepelnej vodivosti je skutočné, ale prichádza s požiadavkou procesnej disciplíny, ktorá nie je prítomná v štandardnom epoxidovom zalievaní.
Kritický, ale často prehliadaný bod:tepelná vodivosť vysoko plneného systému sa dosiahne len vtedy, keď je plnivo rovnomerne rozložené vo vytvrdnutej časti.Usadzovanie plniva v základnej zložke počas skladovania -, ktoré je významné v systémoch s hustotou častíc podstatne nad nosičom živice -, vytvára vytvrdený úsek s premenlivou distribúciou plniva, a teda aj premenlivou tepelnou vodivosťou. Tepelná vodivosť meraná na jednom mieste vytvrdenej časti nemusí predstavovať objemový priemer a nebude reprezentovať úseky, do ktorých bol naliaty-ochudobnený vrchný materiál. Toto nie je chyba materiálu - je to chyba manipulácie. Pre-zmiešanie základnej zložky v jej pôvodnej nádobe pred vážením nie je voliteľné v systémoch s vysokým-plnením.
Obrázok 3.Usadzovanie plniva v základnej zložke E533 je počas skladovania dostatočne významné na to, aby vytvorilo merateľné-rovnomernosti vo vytvrdnutej tepelnej vodivosti, ak sa nádoba pred vážením mechanicky nepremieša{2}}.
Problém s dutinami: Prečo je odplyňovanie kritickejšie v tepelne vodivých systémoch
V štandardnej 0,5 W/m·K epoxidovej zalievacej zmesi zachytené dutiny znižujú lokálnu dielektrickú pevnosť a vytvárajú miesta koncentrácie napätia. V tepelne vodivej zmesi určenej na vedenie tepla majú dutiny ďalší a závažnejší následok: sú to tepelné izolátory vložené do tepelne vodivej matrice.
Tepelná vodivosť vzduchu pri okolitých podmienkach je približne 0,026 W/m·K - približne 1/58 okolitej matrice 1,5 W/m·K. Sférická dutina v tepelne vodivej matrici vytvára lokálny tepelný odpor, ktorý je rádovo vyšší ako okolitý materiál. V silovom module s hrubou sekciou, ktorého konštrukčným zámerom je odvádzať teplo cez zalievaciu stenu do steny, môže zhluk dutín na kritickom mieste vytvoriť lokálnu tepelnú prekážku, ktorá marí účel špecifikácie zlúčeniny s vyššou-vodivosťou.
Vákuové odplyňovanie je preto dôslednejšie v tepelne vodivých systémoch ako v štandardných systémoch. Argumentom pre odplynenie štandardného systému je predovšetkým dielektrické - dutiny, ktoré znižujú efektívnu dielektrickú pevnosť. Argument pre odplynenie tepelne vodivého systému je dielektrický aj tepelný. To, či daná aplikácia vyžaduje odplynenie, závisí od geometrie dutiny a obsahu dutín, ktoré je možné dosiahnuť starostlivým dávkovaním, ale v prípade modulov s vysokou -výkonnou{5}}hustotou zalievania je bezpečný predpoklad, že odplynenie je potrebné, pokiaľ kvalita výplne dutiny nebola overená na reprezentatívnych vzorkách.
Teplota skleného prechodu a jej vzťah k tepelnému výkonu
Tepelne vodivá zalievacia hmota sa používa v horúcom prostredí podľa definície -, čo je podmienka aplikácie, ktorá motivovala výber. Teplota skleného prechodu (Tg) vytvrdeného systému určuje, pri akej teplote sa mechanická forma zalievania začína meniť. Pod Tg je zlúčenina sklovitá, tuhá a rozmerovo stabilná. Nad Tg prechádza polymérna sieť do gumovitého stavu s výrazne zníženým modulom a rýchlo rastúcim CTE.
V prípade zaliateho energetického súboru, ktorý beží pri zvýšenej teplote, Tg zlúčeniny stanovuje hornú hranicu spoľahlivej rozmerovej stability -, nie maximálne nepretržité prevádzkové teploty, ktoré si vyžaduje teplotnú rezervu pod Tg. Ak sa teplota jadra zalievacej sekcie pri normálnej prevádzke priblíži alebo prekročí Tg, zmes sa pod zaťažením vlastnej tepelnej rozťažnosti bude plaziť a potenciálne popraská rozhranie so zabudovanými komponentmi alebo krytom.
To znamená, že požiadavka Tg na tepelne vodivú zmes je určená výstupom tepelného modelu -, konkrétne predpovedanou teplotou jadra zaliateho úseku pri maximálnom nepretržitom zaťažení -, nie teplotou okolia krytu. V hustom výkonovom module, kde zalievacia vrstva znižuje teplotu spoja, ale jadro zalievanej hmoty stále dosahuje 110 stupňov, je zmysluplná zlúčenina s Tg 127 stupňov (s prevádzkovým rozpätím ~17 stupňov). Zlúčenina s Tg 70 stupňov by za týchto podmienok začala strácať rozmerovú stabilitu.
Čo by mal obsahovať správny tepelný model pre zostavy v nádobách
Tepelný model pre zalievaciu sústavu, ktorý vylučuje tepelný odpor zalievacej zmesi, bude systematicky podhodnocovať teplotu spoja. Správny prístup zahŕňa:
Spoj -na-tepelný odpor každého rozptyľujúceho komponentu (z údajového listu komponentu).
Kontaktný odpor medzi balíkom komponentov a okolitou zalievacou hmotou (závisí od zmáčania a pórovitosti na rozhraní).
Objemový tepelný odpor zalievacej vrstvy od povrchu komponentu po prvú chladiacu hranicu (stena krytu, chladič alebo medená doska PCB).
Odpor kontaktu alebo rozhrania medzi zalievaním a hranicou chladenia.
Tepelný odpor samotnej hranice chladenia (hrúbka a materiál steny krytu, účinnosť chladiča).
V zostavách, kde je tepelný odpor zalievacej vrstvy dominantným pojmom -, ktorý je identifikovaný skutočnosťou, že jeho odstránením z modelu sa vytvorí teplota spojenia podstatne nižšia ako nameraná hodnota -, výber tepelnej vodivosti zalievacej hmoty priamo ovplyvňuje návrh tepelného spracovania. Toto je stav, keď špecifikácia 1,5 W/m·K oproti 0,5 W/m·K vytvára významný rozdiel v spoľahlivosti systému.
Keď tepelne vodivé zalievanie problém nevyrieši
Zadanie zalievacej zmesi 1,5 W/m·K nevyrieši problém prehriatia spoja, keď:
Dominantným pojmom je spojenie komponentov-k-odporom puzdra.Ak je samotný komponent tepelným prekážkou, zlepšenie vodivosti zalievacej hmoty má marginálny účinok. Pred výmenou materiálov sa musí analyzovať úplný tepelný model, aby sa zistilo, ktorý odpor je dominantný.
Zalievacia časť je tenká (pod 5 mm).Pri nízkej hrúbke je absolútny tepelný odpor zalievacej vrstvy malý bez ohľadu na vodivosť. Špecifikácia 1,5 W/m·K pre 5 mm zalievaciu vrstvu zvyšuje zložitosť procesu bez významnej tepelnej výhody.
Chladiaca dráha medzi vonkajším povrchom zalievania a okolím je obmedzujúcim odporom.Ak je tepelným prekážkou prirodzená konvekcia z povrchu krytu, zníženie odporu zalievacej vrstvy posunie úzke hrdlo o jeden krok smerom von -, nezníži sa tým úmerne teplota spoja.
Dutiny a distribúcia plniva nie sú kontrolované.Tepelne vodivá zmes s 10 – 15 % dutinovým obsahom nemusí fungovať lepšie ako štandardná zmes s nulovou dutinovosťou, pretože dutiny vytvárajú miestne tepelné odpory, ktoré prevyšujú zlepšenie objemovej vodivosti.
Súvisiaci produkt pre tepelný manažment v hrubej{0}}sekcii zalievanie
E533/H533 je silne plnená, dvojzložková epoxidová zalievacia hmota s tepelnou vodivosťou 1,5 W/m·K a Tg 127 stupňov . Vyžaduje si dvojstupňové vytvrdzovanie teplom (80 stupňov × 2 hodiny + 120 stupne × 4 hodiny), aby sa vyvinuli jeho menovité vlastnosti. Základná zložka (E533) má viskozitu 500 000 – 1 500 000 cps pri 25 stupňoch - mechanické pred{20}}miešanie a vyhrievané dávkovanie pri 50 stupňoch (kde viskozita zmesi klesne na 700 – 1 500 cps) sú potrebné na konzistentný vývoj vlastností{25} a bez pórov{25}
Stav certifikácie UL 94 V-0 podľa súboru E120665 (uvedený ako E{10}}53(Y)/H-53(Y)) by mal byť pred špecifikáciou potvrdený spoločnosťou Fong Yong Chemical, pretože stav následného testovania od decembra 2025 vyžaduje overenie. Inžinieri, ktorí vyžadujú v súčasnosti aktívnu certifikáciu UL, by mali potvrdiť časový harmonogram obnovenia pred zahrnutím E533/H533 do konečného produktu uvedeného v zozname UL.
👉 🔗 E533/H533 Produktová stránka - Technické údaje, Tepelná vodivosť, Poznámky k aplikácii
Kľúčové technické otázky
Pri akej hrúbke zalievania začína záležať na špecifikácii tepelnej vodivosti?
Približným orientačným bodom je, že tepelný odpor zalievacej vrstvy sa stáva významným v porovnaní s ostatnými tepelnými odpormi v dráhe, keď zaliaty úsek presiahne približne 8–10 mm a hustota rozptylu energie presiahne 1 W/cm². Pod týmito prahovými hodnotami nie je absolútny odpor zalievacej vrstvy typicky dominantným pojmom a zvýšenie tepelnej vodivosti z 0,5 na 1,5 W/m.K vedie k zlepšeniu teploty spoja o menej ako 5 stupňov. Toto by sa malo potvrdiť spustením čísel v úplnom tepelnom modeli pre konkrétnu geometriu pred prijatím rozhodnutia o zmene materiálu.
Je možné merať tepelnú vodivosť na výrobných vzorkách, aby sa overilo, či zlúčenina funguje podľa špecifikácie?
Áno, ale meranie by sa malo vykonávať na vytvrdených vzorkách vyrobených pri veľkosti výrobnej dávky a podmienkach odplynenia, nie na laboratórnych vzorkách pripravených za ideálnych podmienok. Tepelná vodivosť vo vysoko plnených systémoch je citlivá na obsah dutín a distribúciu plniva. Výrobná vzorka s 5 % dutín a neúplnou re-disperziou plniva z neadekvátneho predbežného{4}}zmiešania môže merať 0,8–1,0 W/m·K namiesto 1,5 W/m·K. Pravidelné meranie tepelnej vodivosti na produkčných-reprezentatívnych vzorkách je správny prístup k overeniu, nie spoliehanie sa len na hodnoty TDS.
Ovplyvňuje Tg zalievacej hmoty jej tepelnú vodivosť počas prevádzky?
Tepelná vodivosť vo vysoko plnených systémoch je menej citlivá na prechod Tg ako mechanické vlastnosti. Primárnym problémom nad Tg je rozmerová stabilita a tečenie - zlúčenina zmäkne, CTE sa zvýši približne 2–3× a trvalé zaťaženie spôsobuje tečenie na rozhraní zalievacej-komponenty. Tepelná vodivosť neklesá dramaticky pri Tg pre silne naplnený systém, pretože častice plniva (ktoré nesú väčšinu tepla) zostávajú na svojom mieste. Problém Tg v tepelne zaťažených aplikáciách súvisí s mechanickou, nie s tepelnou vodivosťou-.
Ďalšie kroky - Kontaktujte Fong Yong Chemical
