Slika 1.Snemanje toplotnih kamer debelih-delov lončenih napajalnih modulov pogosto razkrije plast lončka kot prevladujočo toplotno odpornost - spremenljivko, ki je ni v večini začetnih toplotnih modelov.
Termični model je pokazal temperaturo spoja pri 95 stopinjah pri polni obremenitvi. Sestavljanje deluje pri 118 stopinjah. Vračilo komponent se začne po 14 mesecih - premik praga vrat IGBT, okvara elektrolitskega kondenzatorja, utrujenost spajkalnega spoja, skoncentrirana okoli-območja disipacije. Inženirska ekipa raziskuje kakovost komponent. Teža bakra PCB. Kontaktni upor hladilnika. Nihče ne odpre toplotnega modela in ne doda vrstične postavke za epoksidno maso za zalivanje med komponento in steno ohišja. Ta vrstična postavka, če bi bila vključena, bi pokazala prispevek toplotne upornosti 0,04–0,06 K/W na cm² pri standardni debelini lončka -, ki bi zadostoval za večino odstopanja med modelom in meritvijo.
Standardne epoksidne mase za zalivanje pri 0,5 W/m·K niso toplotno nevtralne v izvedbah z debelim -odsekom. So toplotni izolatorji s-funkcijo zaviranja gorenja. Če jih v termičnem modelu močnostne elektronike obravnavamo kot toplotno transparentne, je vzrok, ne simptom, težave s temperaturo spoja.
Toplotna odpornost lončene plasti: kvantitativna ocena
Toplotna upornost skozi ravno plast se izračuna kot R=t / (k × A), kjer je t debelina plasti, k toplotna prevodnost in A površina prečnega-prereza. Za standardno lončeno maso pri k=0.5 W/m·K:
Pri 10 mm debeline, 1 cm² površine: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
Pri 15 mm debeline, 1 cm² površine: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
Pri 20 mm debeline, 1 cm² površine: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
To niso zanemarljive vrednosti. Napajalni modul, ki oddaja 5 W skozi lončeni del 15 mm × 1 cm², doživi dvig temperature za 1,5 stopinje v lončku pri 0,5 W/m·K -, kar se sliši malo, dokler ni površina prečnega-prereza 2 cm², disipacija 20 W in vroča točka je koncentrirana. Pri postavitvah gosto napajalnih modulov, kjer si več razpršilnih komponent deli prostornino v posodi, kumulativna toplotna upornost plasti v posodi prispeva 15–30 stopinj k proračunu spoja-in-okolja v zasnovah, kjer ta prispevek ni bil modeliran.
Pri k=1.5 W/m·K enaka geometrija povzroči eno-tretjino toplotne upornosti. Ali je to zmanjšanje smiselno, je odvisno od tega, kakšni so drugi upornosti na toplotni poti - če prevladuje odpornost spoja-na-ohišje komponente, izboljšanje polnilne mase prinaša malo koristi. Toplotni upor lončene plasti je najbolj pomemben, ko je prevladujoč člen v poti, kar se pojavi pri konstrukcijah z debelim-odsekom s hladilnimi potmi relativno nizke-upornosti na zunanji površini.
Slika 2.V 15 mm debelem lončenem odseku preklop z 0,5 W/m·K na 1,5 W/m·K zmanjša toplotno odpornost lončene plasti za približno dve-tretjini. Ali je to zmanjšanje pomembno, je odvisno od relativne velikosti drugih uporov na toplotni poti.
Kjer prevladuje toplotna odpornost debelih-presekov
Ni vsak lončeni sklop občutljiv na toplotno prevodnost polnilne mase. Naslednji pogoji načrtovanja opredeljujejo primere, kjer je verjetno, da bo lončeni sloj prevladujoč toplotni upor:
Debelina lončenega dela nad 8–10 mm.Pod tem območjem je absolutni toplotni upor lončene plasti običajno majhen glede na druge upore na poti. Nad tem razponom, zlasti kadar je hladilna površina zunanja stena ohišja, pogosto postane prevladujoč izraz lončena plast.
Gostota disipacije moči nad 1 W/cm² znotraj prostornine posode.Pri nizki gostoti disipacije ostane temperaturna razlika v lončeni plasti znotraj sprejemljivih meja celo pri 0,5 W/m·K. Ko se gostota moči poveča, enak toplotni upor povzroči sorazmerno večje temperaturne razlike.
Topologija hladilne poti, kjer mora toplota prehajati skozi plast lončka, da doseže hladilno površino.V sklopih, kjer je hladilno telo ali stena ohišja primarna hladilna pot in prostornina v posodi ločuje komponento od te površine, ni obvodne poti - 100 % toplote, ki jo odvaja komponenta, mora potekati skozi vgradnjo. V sklopih, kjer se komponenta lahko ohladi prek vodnikov, bakrene plošče tiskanega vezja ali neposrednega stika z ohišjem, se prispevek lončenja zmanjša.
Uporaba z neprekinjenim delovanjem brez toplotne ciklične razbremenitve.Komponenta, ki neprekinjeno teče blizu mejne temperature spoja, linearno kopiči razgradnjo. Znižanje temperature spoja za 15 stopinj -, ki ga je mogoče doseči z izbiro polnilne mase v nekaterih geometrijah -, lahko podvoji življenjsko dobo komponente pod degradacijo Arrheniusovega-modela.
Zakaj je standardna epoksidna toplotna prevodnost nizka in kaj jo poveča
Nepolnjene in rahlo polnjene epoksidne smole imajo toplotno prevodnost v območju 0,15–0,25 W/m·K. To je neločljivo povezano z navzkrižno-polimerno matriko - polimerne verige so slabi toplotni prevodniki, ker prenos toplote v amorfnih polimerih poteka predvsem prek prenosa vibracijske energije vzdolž verig, kar je neučinkovito v primerjavi s kristalnimi materiali. Vrednosti 0,5–0,7 W/m·K, značilne za standardne-ognjeodporne epoksidne mase za zalivanje, predstavljajo nekaj vsebnosti polnila - običajno enaka anorganska polnila, ki prispevajo k-funkciji zaviranja gorenja -, vendar pri obremenitvah polnila, optimiziranih za obdelavo in učinkovitost plamena, ne za toplotno prevodnost.
Doseganje 1,5 W/m·K zahteva bistveno večjo obremenitev polnila s toplotno prevodnimi anorganskimi delci -, običajno aluminijev hidroksid, aluminijev oksid ali borov nitrid z volumskimi deleži nad 50 %. Kompromis-je strmo povečanje viskoznosti osnovne komponente: formulacija, ki zagotavlja 1,5 W/m·K, bo običajno imela osnovno viskoznost v območju 500.000–1.500.000 cps pri 25 stopinjah v primerjavi s 4.000–10.000 cps za standardni-ognjevarni sistem. To območje viskoznosti zahteva mehansko pred-mešanje in po možnosti ogrevano doziranje pri 50 stopinjah, da dosežemo polnjenje brez-praznin v zaprtih votlinah za lončenje. Povečanje toplotne prevodnosti je resnično, vendar prihaja z zahtevo po disciplini postopka, ki ni prisotna pri standardnem epoksidnem polnjenju.
Kritična, a pogosto spregledana točka:toplotna prevodnost visoko napolnjenega sistema je dosežena le, če je polnilo enakomerno porazdeljeno v strjenem delu.Usedanje polnila v osnovni komponenti med skladiščenjem -, ki je pomembno v sistemih z gostoto delcev, ki je bistveno nad smolnim nosilcem -, povzroči strjen odsek s spremenljivo porazdelitvijo polnila in s tem spremenljivo toplotno prevodnostjo. Toplotna prevodnost, izmerjena na eni lokaciji v strjenem delu, morda ne bo predstavljala skupnega povprečja in ne bo predstavljala odsekov, kjer je bil vlit-zgornji material brez polnila. To ni stvarna napaka -, temveč napaka pri rokovanju. Pred-mešanje osnovne komponente v originalni posodi pred tehtanjem ni neobvezno v sistemih z-velikim polnjenjem.
Slika 3.Usedanje polnila v osnovni komponenti E533 je med skladiščenjem dovolj pomembno, da povzroči merljivo ne{1}}enakomernost strjene toplotne prevodnosti, če posode pred tehtanjem ne -mehansko ponovno premešate.
Problem s prazninami: Zakaj je razplinjevanje bolj kritično v toplotno prevodnih sistemih
V standardni epoksidni polnilni masi 0,5 W/m·K ujete praznine zmanjšajo lokalno dielektrično trdnost in ustvarijo mesta koncentracije napetosti. V toplotno prevodni spojini, ki je zasnovana za prevajanje toplote, imajo praznine dodatno in hujšo posledico: so toplotni izolatorji, vdelani v toplotno prevodno matriko.
Toplotna prevodnost zraka pri okoljskih pogojih je približno 0,026 W/m·K - približno 1/58th okoliške matrice 1,5 W/m·K. Sferična praznina v toplotno prevodni matrici ustvarja lokalni toplotni upor, ki je za rede velikosti večji od okoliškega materiala. V močnostnem modulu z debelim-odsekom, kjer je namen zasnove prevajanje toplote skozi lonček do stene ohišja, lahko skupina praznin na kritični lokaciji ustvari lokalno toplotno ozko grlo, ki izniči namen določanja spojine z višjo-prevodnostjo.
Vakuumsko razplinjevanje je zato bolj pomembno pri toplotno prevodnih sistemih kot pri standardnih sistemih. Argument za razplinjevanje standardnega sistema je predvsem dielektrični - praznine zmanjšajo učinkovito dielektrično trdnost. Argument za razplinjevanje toplotno prevodnega sistema je dielektričen in toploten. Ali določena aplikacija zahteva odplinjevanje, je odvisno od geometrije votline in vsebnosti praznin, ki jih je mogoče doseči s previdnim odmerjanjem, toda pri lončenih modulih z visoko-močjo-gostoto je varna predpostavka, da je razplinjevanje potrebno, razen če je bila kakovost polnila votline potrjena na reprezentativnih vzorcih.
Temperatura posteklenitve in njena povezava s toplotno zmogljivostjo
Toplotno prevodna masa za lončenje se po definiciji uporablja v vročem okolju -, kar je pogoj uporabe, ki je motiviral izbiro. Temperatura posteklenitve (Tg) utrjenega sistema določa, pri kateri temperaturi se začne spreminjati mehanska oblika lončka. Pod Tg je spojina steklasta, toga in dimenzijsko stabilna. Nad Tg polimerna mreža preide v gumijasto stanje z znatno zmanjšanim modulom in hitro naraščajočim CTE.
Za lončeni napajalni sklop, ki deluje pri povišani temperaturi, Tg spojine določa zgornjo mejo zanesljive dimenzijske stabilnosti - in ne najvišje neprekinjene delovne temperature, ki zahteva toplotni rob pod Tg. Če se temperatura jedra lončenega odseka približa ali preseže Tg med normalnim delovanjem, bo spojina polzila pod obremenitvijo lastne toplotne ekspanzije, kar lahko povzroči razpoke na vmesniku z vgrajenimi komponentami ali ohišju.
To pomeni, da je zahteva Tg za toplotno prevodno zmes določena z izhodom toplotnega modela -, natančneje s predvideno temperaturo jedra lončenega dela pri največji neprekinjeni obremenitvi - in ne s temperaturo okolice ohišja. V gostem močnostnem modulu, kjer plast za zalivanje zmanjša temperaturo spoja, vendar jedro lončene mase še vedno doseže 110 stopinj, je spojina s Tg 127 stopinj (z mejo delovanja ~17 stopinj) pomembna. Spojina s Tg 70 stopinj bi pod temi pogoji začela izgubljati dimenzijsko stabilnost.
Kaj mora vsebovati pravi toplotni model za sestave v lončkih
Termični model za lončeni napajalni sklop, ki izključuje toplotni upor lončene mase, bo sistematično podcenjeval temperaturo spoja. Pravilen pristop vključuje:
Toplotna upornost -to-ohišja vsake odvajajoče komponente (iz podatkovnega lista komponente).
Kontaktna odpornost med paketom komponent in okoliško maso za zalivanje (odvisno od močenja in vsebnosti praznin na vmesniku).
Skupni toplotni upor lončene plasti od površine komponente do prve hladilne meje (stena ohišja, hladilnik ali bakrena plošča PCB).
Kontaktni ali vmesni upor med zalivanjem in hladilno mejo.
Toplotni upor same hladilne meje (debelina stene in material ohišja, učinkovitost hladilnika).
V sklopih, kjer je toplotna upornost lončene plasti prevladujoč izraz -, prepoznan po dejstvu, da njena odstranitev iz modela povzroči temperaturo spoja, ki je bistveno nižja od izmerjene vrednosti -, izbira toplotne prevodnosti lončene mase neposredno vpliva na toplotno zasnovo. To je pogoj, pri katerem določitev 1,5 W/m·K v primerjavi z 0,5 W/m·K ustvari pomembno razliko v zanesljivosti sistema.
Ko toplotno prevodno lončenje ne reši težave
Določanje 1,5 W/m·K mase za zalivanje ne bo rešilo problema previsoke temperature spoja, ko:
Prevladujoč izraz je spoj -to-komponente.Če je komponenta sama toplotno ozko grlo, ima izboljšanje prevodnosti lončene mase obroben učinek. Celoten toplotni model je treba analizirati, da se ugotovi, kateri upor je prevladujoč pred menjavo materialov.
Posoda je tanka (pod 5 mm).Pri majhni debelini je absolutni toplotni upor lončene plasti majhen ne glede na prevodnost. Določitev 1,5 W/m·K za 5-milimetrsko zalivno plast doda zapletenost postopka brez pomembne toplotne koristi.
Hladilna pot med zunanjo površino lončka in okolico je omejevalni upor.Če je toplotno ozko grlo naravna konvekcija s površine ohišja, zmanjšanje odpornosti lončene plasti premakne ozko grlo za en korak navzven - in ne zmanjša sorazmerno temperature spoja.
Praznine in porazdelitev polnila niso nadzorovani.Toplotno prevodna zmes z 10–15 % vsebnostjo praznin morda ne deluje nič bolje kot standardna zmes z nič prazninami, ker praznine ustvarjajo lokalne toplotne upore, ki presegajo izboljšanje skupne prevodnosti.
Sorodni izdelek za upravljanje toplote pri zalivanju debelih-presekov
E533/H533 je dvo-komponentna epoksidna masa za zalivanje z močnim polnilom, ki zagotavlja toplotno prevodnost 1,5 W/m·K in Tg 127 stopinj. Zahteva dvo-stopenjsko toplotno utrjevanje (80 stopinj × 2 uri + 120 stopinj × 4 ure), da razvije svoje ocenjene lastnosti. Osnovna komponenta (E533) ima viskoznost 500.000–1.500.000 cps pri 25 stopinjah - mehansko pred-mešanje in segreto doziranje pri 50 stopinjah (kjer viskoznost mešanice pade na 700–1.500 cps) sta potrebna za dosleden razvoj lastnosti in zapolnjevanje -prostosti.
Certifikacijski status UL 94 V-0 v datoteki E120665 (navedeno kot E-53(Y)/H-53(Y)) mora biti pred specifikacijo potrjen pri Fong Yong Chemical, saj status nadaljnjega testiranja od decembra 2025 zahteva preverjanje. Inženirji, ki potrebujejo trenutno aktiven certifikat UL, morajo potrditi časovnico ponovne vzpostavitve, preden vključijo E533/H533 v končni izdelek, ki je na seznamu UL.
👉 🔗 E533/H533 Stran izdelka - Tehnični podatki, toplotna prevodnost, opombe o uporabi
Ključna inženirska vprašanja
Pri kateri debelini zalivanja postane specifikacija toplotne prevodnosti pomembna?
Kot grobo vodilo postane toplotni upor lončene plasti pomemben glede na druge toplotne upore na poti, ko lončeni odsek preseže približno 8–10 mm in gostota disipacije moči preseže 1 W/cm². Pod temi pragovi absolutni upor lončene plasti običajno ni prevladujoč izraz in povečanje toplotne prevodnosti z 0,5 na 1,5 W/m·K povzroči manj kot 5-stopinjsko izboljšanje temperature spoja. To je treba potrditi z izvajanjem številk v celotnem toplotnem modelu za določeno geometrijo, preden se odločite za spremembo materiala.
Ali je mogoče izmeriti toplotno prevodnost na proizvodnih vzorcih, da preverimo, ali spojina deluje, kot je določeno?
Da, vendar je treba meritev izvajati na utrjenih vzorcih, izdelanih v velikosti proizvodne serije in pogojih razplinjevanja, ne pa na laboratorijskih vzorcih, pripravljenih v idealnih pogojih. Toplotna prevodnost v visoko napolnjenih sistemih je občutljiva na vsebnost praznin in porazdelitev polnila. Proizvodni vzorec s 5 % vsebnostjo praznin in nepopolno re-razpršenostjo polnila zaradi neustreznega pred-mešanja lahko meri 0,8–1,0 W/m·K namesto 1,5 W/m·K. Periodično merjenje toplotne prevodnosti na proizvodnih-reprezentativnih vzorcih je pravilen pristop k preverjanju in ne zanašanje samo na vrednosti TDS.
Ali Tg mase za zalivanje vpliva na njeno toplotno prevodnost med delovanjem?
Toplotna prevodnost v visoko napolnjenih sistemih je manj občutljiva na prehod Tg kot mehanske lastnosti. Primarna skrb nad Tg sta dimenzijska stabilnost in lezenje - spojina se zmehča, CTE se poveča za približno 2–3×, trajna obremenitev pa povzroči lezenje na vmesniku zalivanja-komponente. Toplotna prevodnost ne pade dramatično pri Tg za močno napolnjen sistem, ker delci polnila (ki nosijo večino toplote) ostanejo na mestu. Skrb za Tg pri toplotno obremenjeni aplikaciji je mehanska, ne pa povezana s toplotno prevodnostjo-.
Naslednji koraki - Obrnite se na Fong Yong Chemical
