Figura 1.Imaginile cu camere termice ale modulelor de putere cu ghivece cu secțiune groasă-dezvăluie frecvent stratul de ghiveci ca fiind rezistența termică dominantă - o variabilă absentă din majoritatea modelelor termice inițiale.
Modelul termic a arătat temperatura joncțiunii la 95 de grade sub sarcină maximă. Ansamblul rulează la 118 de grade. Revenirea componentelor încep la 14 luni - Derivarea pragului porții IGBT, defecțiunea condensatorului electrolitic, oboseala îmbinării de lipit concentrată în jurul zonei de-înaltă disipare. Echipa de ingineri investighează calitatea componentelor. Greutatea cuprului PCB. Rezistența de contact a radiatorului. Nimeni nu deschide modelul termic și adaugă un articol rând pentru compusul epoxidic pentru ghiveci între componentă și peretele incintei. Acel articol rând, dacă ar fi fost inclus, ar fi arătat o contribuție la rezistența termică de 0,04–0,06 K/W per cm² la grosimea standard a ghiveciului - suficient pentru a explica cea mai mare parte a discrepanței dintre model și măsurare.
Compușii epoxidici standard pentru ghiveci la 0,5 W/m·K nu sunt neutri din punct de vedere termic în designul cu secțiune-groasă. Sunt izolatori termici cu funcție de ignifugare-. Tratarea acestora ca fiind transparente termic într-un model termic de electronică de putere este cauza, nu simptomul, a problemei de temperatură a joncțiunii.
Rezistența termică a unui strat de ghiveci: o evaluare cantitativă
Rezistența termică printr-un strat plan este calculată ca R=t / (k × A), unde t este grosimea stratului, k este conductivitatea termică și A este -aria secțiunii transversale. Pentru un compus standard pentru ghiveci la k=0.5 W/m·K:
La o grosime de 10 mm, o zonă de 1 cm²: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
La o grosime de 15 mm, o zonă de 1 cm²: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
La o grosime de 20 mm, o zonă de 1 cm²: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Acestea nu sunt valori de neglijat. Un modul de putere care disipă 5 W printr-o secțiune de ghiveci de 15 mm × 1 cm² experimentează o creștere a temperaturii de 1,5 grade în ghiveci la 0,5 W/m·K - care sună mic până când aria secțiunii transversale{-este de 2 cm², disiparea este de 20 W și punctul fierbinte este concentrat. În configurațiile de module de putere densă, în care mai multe componente cu disipare împart un volum în ghivece, rezistența termică cumulativă a stratului de ghiveci contribuie cu 15-30 de grade la joncțiunea-cu-bugetul ambiental în proiectele în care această contribuție nu a fost modelată.
La k=1.5 W/m·K, aceeași geometrie produce o-treime din rezistența termică. Dacă această reducere este semnificativă, depinde de ceea ce sunt celelalte rezistențe din calea termică - dacă joncțiunea-la-rezistența componentei domină, îmbunătățirea compusului de ghiveci oferă puțin beneficii. Rezistența termică a stratului de ghiveci este cea mai importantă atunci când este termenul dominant în traseu, care apare în modelele de-secțiuni groase cu trasee de răcire cu rezistență relativ scăzută-pe suprafața exterioară.
Figura 2.Într-o secțiune de ghiveci cu grosimea de 15 mm, trecerea de la 0,5 W/m·K la 1,5 W/m·K reduce rezistența termică a stratului de ghiveci cu aproximativ două-treimi. Dacă această reducere este semnificativă depinde de mărimea relativă a altor rezistențe din calea termică.
Unde domină rezistența termică la ghiveci cu secțiune groasă-
Nu orice ansamblu de ghiveci este sensibil la conductibilitatea termică a compusului de ghiveci. Următoarele condiții de proiectare identifică cazurile în care stratul de ghiveci este probabil să fie o rezistență termică dominantă:
Grosimea secțiunii de ghiveci peste 8–10 mm.Sub acest interval, rezistența termică absolută a stratului de ghiveci este de obicei mică în raport cu alte rezistențe din cale. Peste acest interval, în special atunci când suprafața de răcire este peretele exterior al incintei, stratul de ghiveci devine frecvent termenul dominant.
Densitatea de disipare a puterii peste 1 W/cm² în volumul din ghiveci.La o densitate scăzută de disipare, diferența de temperatură de-a lungul stratului de ghiveci rămâne în limite acceptabile chiar și la 0,5 W/m·K. Pe măsură ce densitatea de putere crește, aceeași rezistență termică produce diferențe de temperatură proporțional mai mari.
Topologie cale de răcire în care căldura trebuie să conducă prin stratul de ghiveci pentru a ajunge la suprafața de răcire.În ansamblurile în care un radiator sau un perete de incintă este calea principală de răcire, iar volumul în ghivece separă componenta de acea suprafață, nu există o cale de ocolire - 100% din căldura disipată a componentei trebuie să conducă prin ghiveci. În ansamblurile în care componenta se poate răci prin cabluri, un plan de cupru PCB sau contact direct cu carcasa, contribuția la ghiveci este redusă.
Aplicații de sarcină continuă fără ușurare a ciclului termic.O componentă care rulează continuu în apropierea limitei sale de temperatură de joncțiune acumulează degradarea liniar. O reducere cu 15 grade a temperaturii de joncțiune - care poate fi realizată prin selecția compusului de ghiveci în unele geometrii - poate dubla durata de viață a componentelor în cazul degradarii modelului Arrhenius-.
De ce este scăzută conductivitatea termică epoxidică standard și ce o crește
Rășinile epoxidice neumplute și ușor umplute au conductivitate termică în intervalul 0,15–0,25 W/m·K. Acest lucru este inerent matricei polimerice reticulate-lanțurile polimerice - sunt conductoare termice slabe, deoarece transferul de căldură în polimerii amorfi se face în principal prin transferul de energie vibrațională de-a lungul lanțurilor, care este ineficient în comparație cu materialele cristaline. Valorile de 0,5–0,7 W/m·K tipice compușilor epoxidic de ghiveci-ignifug standard reprezintă un conținut de umplutură -, de obicei, aceleași materiale de umplutură anorganice care contribuie la funcția de-ignifugare -, dar la încărcăturile de umplutură optimizate pentru procesabilitate și performanță termică la flacără, nu pentru performanța termică la flacără.
Atingerea 1,5 W/m·K necesită o încărcare semnificativ mai mare de umplutură cu particule anorganice conductoare termic - de obicei hidroxid de aluminiu, alumină sau nitrură de bor la fracțiuni de volum peste 50%. Compartimentul este o creștere abruptă a vâscozității componentei de bază: o formulare care furnizează 1,5 W/m·K va avea, de obicei, o vâscozitate de bază în intervalul 500.000–1.500.000 cps la 25 de grade, comparativ cu 4.000–10.000 cps pentru un sistem ignifug{16} standard. Acest interval de vâscozitate necesită pre-amestecare mecanică și, de preferință, dozare încălzită la 50 de grade , pentru a obține-umplerea fără goluri în cavitățile de ghiveci închise. Câștigul de conductivitate termică este real, dar vine cu o cerință de disciplină a procesului care nu este prezentă în ghivece epoxidice standard.
Un punct critic, dar adesea trecut cu vederea:conductivitatea termică a unui sistem puternic umplut este atinsă numai atunci când umplutura este distribuită uniform în secțiunea întărită.Depunerea materialului de umplutură în componenta de bază în timpul depozitării - care este semnificativă în sistemele cu densități ale particulelor substanțial peste suportul de rășină - produce o secțiune întărită cu distribuție variabilă a umpluturii și, prin urmare, conductivitate termică variabilă. Conductibilitatea termică măsurată într-o locație din partea întărită poate să nu reprezinte media în vrac și nu va reprezenta secțiuni în care a fost turnat materialul superior epuizat de umplutură-. Acesta nu este un defect material - este un defect de manipulare. Pre-amestecarea componentei de bază în recipientul său original înainte de cântărire nu este opțională în sistemele de-cu umplere mare.
Figura 3.Depunerea materialului de umplutură în componenta de bază E533 este suficient de semnificativă în timpul depozitării pentru a produce o ne-uniformitate măsurabilă a conductivității termice întărite dacă recipientul nu este re-amestecat mecanic înainte de cântărire.
Problema golurilor: de ce degazarea este mai critică în sistemele termic conductoare
Într-un compus de ghiveci epoxidic standard de 0,5 W/m·K, golurile prinse reduc rezistența dielectrică locală și creează locuri de concentrare a tensiunilor. Într-un compus termoconductiv conceput să conducă căldura, golurile au o consecință suplimentară și mai gravă: sunt izolatori termici încorporați într-o matrice termic conductoare.
Conductivitatea termică a aerului în condiții ambientale este de aproximativ 0,026 W/m·K - aproximativ 1/58 din matricea înconjurătoare de 1,5 W/m·K. Un gol sferic într-o matrice termic conductoare creează o rezistență termică locală care este cu ordine de mărime mai mare decât materialul înconjurător. Într-un modul de putere cu secțiune groasă-în care intenția de proiectare este de a conduce căldura prin ghivece către peretele incintei, un grup de goluri într-o locație critică poate crea un blocaj termic local care înfrânge scopul de a specifica compusul cu conductivitate-mai mare.
Degazarea în vid este, prin urmare, mai importantă în sistemele conductoare termic decât în sistemele standard. Argumentul pentru degazarea unui sistem standard este în primul rând golurile dielectrice - reduc rigiditatea dielectrică efectivă. Argumentul pentru degazarea unui sistem conductiv termic este atât dielectric, cât și termic. Dacă o anumită aplicație necesită degazare depinde de geometria cavității și de conținutul de goluri care poate fi atins printr-o dozare atentă, dar în modulele cu ghivece de{4}}putere-înaltă densitate, presupunerea sigură este că degazarea este necesară, cu excepția cazului în care calitatea umplerii cavității a fost validată pe specimene reprezentative.
Temperatura de tranziție a sticlei și relația sa cu performanța termică
Un compus de ghiveci conductiv termic este utilizat într-un mediu fierbinte, prin definiție -, care este condiția de aplicare care a motivat selecția. Temperatura de tranziție sticloasă (Tg) a sistemului întărit determină la ce temperatură începe să se schimbe forma mecanică a ghiveciului. Sub Tg, compusul este sticlos, rigid și stabil dimensional. Deasupra Tg, rețeaua polimerică trece la o stare cauciucoasă cu modul redus semnificativ și CTE în creștere rapidă.
Pentru un ansamblu de putere în ghivece care funcționează la temperatură ridicată, Tg a compusului stabilește limita superioară a stabilității dimensionale sigure - nu maximul continuu al temperaturii de serviciu, care necesită o marjă termică sub Tg. Dacă temperatura miezului secțiunii de ghiveci se apropie sau depășește Tg în timpul funcționării normale, compusul se va strecura sub sarcina propriei expansiuni termice, potențial crăpare interfața cu componentele încorporate sau incinta.
Aceasta înseamnă că cerința Tg pentru un compus termoconductiv este determinată de rezultatul modelului termic -, în special de temperatura de bază estimată a secțiunii în ghivece la sarcina continuă maximă -, nu de temperatura ambiantă a incintei. Într-un modul de putere dens în care stratul de ghiveci reduce temperatura joncțiunii, dar miezul masei în ghivece ajunge încă la 110 grade, un compus cu Tg de 127 grade (cu o marjă de funcționare de ~ 17 grade) este semnificativ. Un compus cu Tg de 70 de grade ar începe să-și piardă stabilitatea dimensională în acele condiții.
Ce ar trebui să includă un model termic adecvat pentru ansamblurile în ghivece
Un model termic pentru un ansamblu de putere în ghivece care exclude rezistența termică a compusului de ghiveci va subestima în mod sistematic temperatura joncțiunii. Abordarea corectă include:
Joncțiunea-pentru-caseta rezistenței termice a fiecărei componente care se disipează (din fișa de date a componentelor).
Rezistența de contact dintre pachetul de componente și compusul de ghiveci din jur (depinde de umezeala și conținutul de goluri la interfață).
Rezistența termică în vrac a stratului de ghiveci de la suprafața componentei până la prima limită de răcire (perete incintă, radiator sau plan de cupru PCB).
Rezistența de contact sau de interfață dintre ghiveci și limita de răcire.
Rezistența termică a limitei de răcire în sine (grosimea peretelui incintei și materialul, eficiența radiatorului).
În ansamblurile în care rezistența termică a stratului de ghiveci este termenul dominant - identificat prin faptul că eliminarea acestuia din model produce o temperatură de joncțiune substanțial sub valoarea măsurată -, selectarea conductibilității termice a compusului de ghiveci afectează direct proiectarea termică. Aceasta este condiția în care specificarea a 1,5 W/m·K față de 0,5 W/m·K produce o diferență semnificativă în fiabilitatea sistemului.
Când ghiveciul termic conductiv nu rezolvă problema
Specificarea unui compus de ghiveci de 1,5 W/m·K nu va rezolva o problemă de supratemperatura a joncțiunii atunci când:
Joncțiunea componentei-cu-rezistența carcasei este termenul dominant.Dacă componenta în sine este blocajul termic, îmbunătățirea conductibilității compusului de ghiveci are un efect marginal. Modelul termic complet trebuie analizat pentru a identifica rezistența dominantă înainte de schimbarea materialelor.
Secțiunea de ghiveci este subțire (sub 5 mm).La grosime mică, rezistența termică absolută a stratului de ghiveci este mică, indiferent de conductivitate. Specificarea 1,5 W/m·K pentru a aborda un strat de ghiveci de 5 mm adaugă complexitate procesului fără beneficii termice semnificative.
Calea de răcire dintre suprafața exterioară a ghiveciului și mediu este rezistența limită.Dacă convecția naturală de la suprafața incintei este blocajul termic, reducerea rezistenței stratului de ghiveci mută blocajul cu un pas spre exterior - nu reduce proporțional temperatura joncțiunii.
Golurile și distribuția umpluturii nu sunt controlate.Un compus conductiv termic cu un conținut de goluri de 10-15% nu poate funcționa mai bine decât un compus standard cu goluri zero, deoarece golurile creează rezistențe termice locale care depășesc îmbunătățirea conductibilității în vrac.
Produs similar pentru managementul termic în ghiveci cu secțiune groasă{0}
E533/H533 este un compus de ghiveci epoxidic cu două-componente umplut puternic, care oferă o conductivitate termică de 1,5 W/m·K și Tg 127 grade . Este nevoie de o întărire termică în două-etape (80 de grade × 2 ore + 120 grade × 4 ore) pentru a-și dezvolta proprietățile nominale. Componenta de bază (E533) are o vâscozitate de 500.000–1.500.000 cps la 25 de grade - preamestecare mecanică{-și distribuirea încălzită la 50 de grade (unde vâscozitatea amestecată scade la 700–1.500 cps și sunt necesare pentru o dezvoltare constantă a proprietăților)
Starea de certificare UL 94 V-0 conform Fișierului E120665 (listat ca E-53(Y)/H-53(Y)) trebuie confirmată cu Fong Yong Chemical înainte de specificare, deoarece starea de testare ulterioară din decembrie 2025 necesită verificare. Inginerii care necesită certificare UL activă în prezent ar trebui să confirme termenul de reintroducere înainte de a include E533/H533 într-un produs final listat UL.
👉 🔗 Pagina produsului E533/H533 - Date tehnice, conductivitate termică, note de aplicare
Întrebări cheie de inginerie
La ce grosime a ghiveciului începe să conteze specificația de conductivitate termică?
Ca o orientare aproximativă, rezistența termică a stratului de ghiveci devine semnificativă în raport cu alte rezistențe termice din traseu atunci când secțiunea în ghivece depășește aproximativ 8-10 mm și densitatea de disipare a puterii depășește 1 W/cm². Sub aceste praguri, rezistența absolută a stratului de ghiveci nu este de obicei termenul dominant, iar creșterea conductibilității termice de la 0,5 la 1,5 W/m·K produce o îmbunătățire cu mai puțin de 5 grade a temperaturii joncțiunii. Acest lucru ar trebui confirmat prin rularea numerelor într-un model termic complet pentru geometria specifică înainte de a lua o decizie de schimbare a materialului.
Conductivitatea termică poate fi măsurată pe eșantioanele de producție pentru a verifica că compusul funcționează conform specificațiilor?
Da, dar măsurarea trebuie efectuată pe eșantioane întărite realizate la dimensiunea lotului de producție și în condiții de degazare, nu pe eșantioane de laborator pregătite în condiții ideale. Conductivitatea termică în sistemele cu umplutură ridicată este sensibilă la conținutul de goluri și la distribuția umpluturii. Un eșantion de producție cu conținut de goluri de 5% și umplutură incompletă re-dispersată de la pre-amestecare inadecvată poate măsura 0,8–1,0 W/m·K în loc de 1,5 W/m·K. Măsurarea periodică a conductibilității termice pe specimene-reprezentative de producție este abordarea corectă de verificare, nu doar bazarea pe valorile TDS.
Tg-ul compusului de ghiveci afectează conductivitatea termică a acestuia în timpul funcționării?
Conductivitatea termică în sistemele puternic umplute este mai puțin sensibilă la tranziția Tg decât proprietățile mecanice. Preocuparea principală de deasupra Tg este stabilitatea dimensională și fluajul - compusul se înmoaie, CTE crește cu aproximativ 2–3×, iar sarcina susținută provoacă fluaj la interfața componentei de ghiveci-. Conductivitatea termică nu scade dramatic la Tg pentru un sistem puternic umplut, deoarece particulele de umplutură (care transportă cea mai mare parte a căldurii) rămân pe loc. Preocuparea Tg într-o aplicație încărcată termic este mecanică, nu este legată de conductivitate termică-.
Următorii pași - Contactați Fong Yong Chemical
