Rysunek 1.Obrazowanie kamerą termowizyjną grubych-modułów zasilania w obudowie często ujawnia warstwę zalewową jako dominujący opór cieplny, - zmienną nieobecną w większości początkowych modeli termicznych.
Model termiczny pokazał temperaturę złącza wynoszącą 95 stopni przy pełnym obciążeniu. Zespół pracuje pod kątem 118 stopni. Zwroty podzespołów rozpoczynają się po 14 miesiącach - dryf progu bramki IGBT, awaria kondensatora elektrolitycznego, zmęczenie złącza lutowniczego skupione wokół-strefy wysokiego rozpraszania. Zespół inżynierów bada jakość komponentów. Masa miedzi PCB. Rezystancja styku radiatora. Nikt nie otwiera modelu termicznego i nie dodaje pozycji dotyczącej masy epoksydowej do zalewania pomiędzy elementem a ścianą obudowy. Gdyby ta pozycja została uwzględniona, wykazywałaby udział oporu cieplnego w wysokości 0,04–0,06 K/W na cm² przy standardowej grubości zalewania - wystarczającej do uwzględnienia większości rozbieżności między modelem a pomiarem.
Standardowe masy epoksydowe do zalewania o mocy 0,5 W/m·K nie są obojętne termicznie w projektach o grubych-przekrojach. Są to izolatory termiczne z funkcją-zmniejszania palności. Traktowanie ich jako termicznie przezroczystych w modelu termicznym energoelektroniki jest przyczyną, a nie objawem problemu z temperaturą złącza.
Opór cieplny warstwy doniczkowej: ocena ilościowa
Opór cieplny przechodzący przez płaską warstwę oblicza się jako R=t / (k × A), gdzie t to grubość warstwy, k to przewodność cieplna, a A to-pole przekroju poprzecznego. Dla standardowej masy doniczkowej przy k=0.5 W/m·K:
Przy grubości 10 mm i powierzchni 1 cm²: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
Przy grubości 15 mm, powierzchnia 1 cm²: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
Przy grubości 20 mm i powierzchni 1 cm²: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Nie są to wartości pomijalne. Moduł mocy rozpraszający 5 W przez sekcję zalewania o wymiarach 15 mm × 1 cm² doświadcza wzrostu temperatury o 1,5 stopnia w zalewie przy 0,5 W/m·K -, co wydaje się małe, dopóki pole- przekroju poprzecznego nie wyniesie 2 cm², rozpraszanie nie wyniesie 20 W, a gorący punkt nie zostanie skoncentrowany. W gęstych układach modułów mocy, w których wiele elementów rozpraszających ma wspólną objętość, skumulowany opór cieplny warstwy zalewającej przyczynia się do 15–30 stopni w stosunku do połączenia-z-budżetem otoczenia w projektach, w których ten udział nie był modelowany.
Przy k=1.5 W/m·K ta sama geometria zapewnia-jedną trzecią oporu cieplnego. To, czy ta redukcja jest znacząca, zależy od pozostałych oporów na ścieżce termicznej, - jeśli dominuje rezystancja połączenia-z-obudową elementu, ulepszanie masy zalewowej przynosi niewielkie korzyści. Opór cieplny warstwy zalewowej ma największe znaczenie, gdy jest składnikiem dominującym na ścieżce, co występuje w konstrukcjach o grubych-przekrojach ze ścieżkami chłodzenia o stosunkowo niskim-oporze na zewnętrznej powierzchni.
Rysunek 2.W sekcji doniczkowej o grubości 15 mm zmiana z 0,5 W/m·K na 1,5 W/m·K zmniejsza opór cieplny warstwy doniczkowej o około dwie-trzecie. To, czy ta redukcja jest znacząca, zależy od względnej wielkości innych rezystancji na ścieżce termicznej.
Tam, gdzie dominuje opór cieplny zalewania w grubych-sekcjach
Nie każdy zestaw zalany jest wrażliwy na przewodność cieplną masy zalewowej. Poniższe warunki projektowe identyfikują przypadki, w których warstwa zalewania będzie prawdopodobnie stanowić dominujący opór cieplny:
Grubość sekcji zalewania powyżej 8–10 mm.Poniżej tego zakresu bezwzględny opór cieplny warstwy zalewowej jest zazwyczaj mały w porównaniu z innymi oporami na ścieżce. Powyżej tego zakresu, zwłaszcza gdy powierzchnią chłodzącą jest zewnętrzna ściana obudowy, określeniem dominującym często staje się warstwa zalewowa.
Gęstość rozpraszania mocy powyżej 1 W/cm² w objętości doniczki.Przy niskiej gęstości rozproszenia różnica temperatur w warstwie doniczkowej utrzymuje się w dopuszczalnych granicach nawet przy 0,5 W/m·K. Wraz ze wzrostem gęstości mocy ten sam opór cieplny powoduje proporcjonalnie większe różnice temperatur.
Topologia ścieżki chłodzenia, w której ciepło musi przejść przez warstwę zalewową, aby dotrzeć do powierzchni chłodzącej.W zespołach, w których główną ścieżką chłodzenia jest radiator lub ściana obudowy, a zalana objętość oddziela komponent od tej powierzchni, nie ma ścieżki obejściowej. - 100% ciepła rozproszonego przez komponent musi przejść przez zalanie. W zespołach, w których element może chłodzić poprzez przewody, miedzianą płytkę PCB lub bezpośredni kontakt z obudową, udział zalewania jest zmniejszony.
Zastosowania w trybie pracy ciągłej bez zabezpieczenia przed cyklicznymi zmianami termicznymi.Element, który stale pracuje w pobliżu limitu temperatury złącza, ulega liniowej akumulacji degradacji. Obniżenie temperatury złącza o 15 stopni - możliwe do osiągnięcia poprzez dobór materiału zalewowego w niektórych geometriach - może podwoić żywotność elementu w przypadku degradacji modelu Arrheniusa-.
Dlaczego standardowa przewodność cieplna żywic epoksydowych jest niska i co ją podnosi
Niewypełnione i słabo wypełnione żywice epoksydowe mają przewodność cieplną w zakresie 0,15–0,25 W/m·K. Jest to nieodłącznie związane z-usieciowaną matrycą polimerową-, że łańcuchy polimerowe są słabymi przewodnikami ciepła, ponieważ przenoszenie ciepła w polimerach amorficznych odbywa się głównie poprzez przenoszenie energii wibracyjnej wzdłuż łańcuchów, co jest nieefektywne w porównaniu z materiałami krystalicznymi. Wartości 0,5–0,7 W/m·K typowe dla standardowych-ognioodpornych epoksydowych mas zalewowych reprezentują pewną zawartość wypełniacza - zwykle są to te same nieorganiczne wypełniacze, które przyczyniają się do-funkcji zmniejszającej palność -, ale przy zawartości wypełniacza zoptymalizowanej pod kątem przetwarzalności i właściwości płomienia, a nie przewodności cieplnej.
Osiągnięcie 1,5 W/m·K wymaga znacznie większego obciążenia wypełniaczem przewodzącymi ciepło cząstkami nieorganicznymi, -, zazwyczaj wodorotlenkiem glinu, tlenkiem glinu lub azotkiem boru przy ułamkach objętościowych powyżej 50%. Kompromisem jest-gwałtowny wzrost lepkości składnika podstawowego: preparat dostarczający 1,5 W/m·K będzie zazwyczaj miał lepkość bazową w zakresie 500 000–1 500 000 cps w temperaturze 25 stopni w porównaniu z 4 000–10 000 cps w przypadku standardowego-systemu zmniejszającego palność. Ten zakres lepkości wymaga mechanicznego-mieszania wstępnego i najlepiej dozowania podgrzanego w temperaturze 50 stopni, aby uzyskać-wolne wypełnienie pustych przestrzeni w ograniczonych zagłębieniach doniczkowych. Zysk przewodności cieplnej jest realny, ale wiąże się z wymogiem dyscypliny procesu, którego nie ma w przypadku standardowego zalewania żywicą epoksydową.
Krytyczny, ale często pomijany punkt:przewodność cieplną systemu z dużym wypełnieniem można osiągnąć tylko wtedy, gdy wypełniacz jest równomiernie rozprowadzony w utwardzonej części.Wypełniacz osadzający się w składniku bazowym podczas przechowywania -, co jest istotne w systemach o gęstości cząstek znacznie przekraczającej nośnik żywicy -, powoduje powstanie utwardzonego przekroju o zmiennym rozmieszczeniu wypełniacza, a co za tym idzie, o zmiennej przewodności cieplnej. Przewodność cieplna zmierzona w jednym miejscu utwardzonej części może nie reprezentować średniej objętościowej ani odcinków, w których wylano-zubożony w wypełniacz materiał wierzchni. Nie jest to wada materiałowa, - jest to wada obsługi. Wstępne-mieszanie składnika podstawowego w oryginalnym pojemniku przed ważeniem nie jest opcjonalne w systemach o dużej-wypełniaczu.
Rysunek 3.Osadzanie się wypełniacza w składniku bazowym E533 jest na tyle duże podczas przechowywania, że powoduje mierzalną niejednorodność-przewodnictwa cieplnego po utwardzeniu, jeśli pojemnik nie zostanie ponownie-wymieszany mechanicznie przed ważeniem.
Problem pustych przestrzeni: dlaczego odgazowanie jest bardziej krytyczne w systemach przewodzących ciepło
W standardowej masie epoksydowej do zalewania o stężeniu 0,5 W/m·K uwięzione puste przestrzenie zmniejszają lokalną wytrzymałość dielektryczną i tworzą miejsca koncentracji naprężeń. W mieszance termoprzewodzącej przeznaczonej do przewodzenia ciepła puste przestrzenie mają dodatkową i poważniejszą konsekwencję: są izolatorami termicznymi osadzonymi w matrycy przewodzącej ciepło.
Przewodność cieplna powietrza w warunkach otoczenia wynosi około 0,026 W/m·K -, czyli mniej więcej 1/58 otaczającej matrycy 1,5 W/m·K. Kulista pustka w matrycy przewodzącej ciepło tworzy lokalny opór cieplny, który jest o rząd wielkości większy niż otaczający materiał. W module mocy-o grubej sekcji, którego zamierzeniem projektowym jest przewodzenie ciepła przez zalanie do ściany obudowy, skupisko pustych przestrzeni w krytycznym miejscu może utworzyć lokalne wąskie gardło termiczne, które stoi na przeszkodzie określeniu związku o wyższej-przewodności.
Odgazowanie próżniowe jest zatem bardziej istotne w systemach przewodzących ciepło niż w systemach standardowych. Argumentem za odgazowaniem standardowego systemu jest przede wszystkim to, że puste przestrzenie dielektryczne - zmniejszają efektywną wytrzymałość dielektryczną. Argument za odgazowaniem układu przewodzącego ciepło jest zarówno dielektryczny, jak i termiczny. To, czy dane zastosowanie wymaga odgazowania, zależy od geometrii wnęki i zawartości pustych przestrzeni, jaką można osiągnąć poprzez ostrożne dozowanie, ale w przypadku modułów zatapialnych o dużej{{4}mocy-gęstości można bezpiecznie założyć, że odgazowanie jest wymagane, chyba że jakość wypełnienia wnęki została sprawdzona na reprezentatywnych próbkach.
Temperatura zeszklenia i jej związek z wydajnością cieplną
Termoprzewodząca masa zalewowa jest z definicji stosowana w gorącym środowisku -, co stanowi warunek zastosowania, który uzasadniał wybór. Temperatura zeszklenia (Tg) utwardzonego układu określa, w jakiej temperaturze zaczyna się zmieniać postać mechaniczna zalewy. Poniżej Tg związek jest szklisty, sztywny i stabilny wymiarowo. Powyżej Tg sieć polimerowa przechodzi w stan gumowaty ze znacznie zmniejszonym modułem i szybko rosnącym współczynnikiem CTE.
W przypadku zespołu zasilania w obudowie pracującego w podwyższonej temperaturze Tg związku ustanawia górną granicę niezawodnej stabilności wymiarowej -, a nie maksymalną temperaturę ciągłej pracy, która wymaga marginesu termicznego poniżej Tg. Jeśli podczas normalnej pracy temperatura rdzenia sekcji zalewającej osiągnie lub przekroczy Tg, związek będzie pełzał pod obciążeniem wynikającym z jego własnej rozszerzalności cieplnej, potencjalnie powodując pękanie interfejsu z osadzonymi komponentami lub obudową.
Oznacza to, że wymagana Tg dla związku przewodzącego ciepło jest określona na podstawie wyjściowego modelu termicznego -, a konkretnie przewidywanej temperatury rdzenia części wypełnionej doniczką przy maksymalnym ciągłym obciążeniu -, a nie temperatury otoczenia obudowy. W gęstym module mocy, w którym warstwa zalewowa obniża temperaturę złącza, ale rdzeń zalanej masy nadal osiąga 110 stopni, związek o Tg wynoszącej 127 stopni (z marginesem operacyjnym ~17 stopni) ma znaczenie. W tych warunkach związek o Tg wynoszącej 70 stopni zacząłby tracić stabilność wymiarową.
Co powinien zawierać prawidłowy model termiczny dla zespołów doniczkowych
Model termiczny zespołu zasilania w zalewie, który wyklucza opór cieplny masy zalewowej, będzie systematycznie zaniżać temperaturę złącza. Prawidłowe podejście obejmuje:
Opór cieplny złącza-z-obudową każdego elementu rozpraszającego (z arkusza danych komponentu).
Rezystancja styku pomiędzy pakietem komponentów a otaczającą masą zalewową (zależy od zwilżenia i zawartości pustych przestrzeni na styku).
Masowy opór cieplny warstwy zalewowej od powierzchni komponentu do pierwszej granicy chłodzenia (ściana obudowy, radiator lub miedziana płaszczyzna PCB).
Rezystancja styku lub granicy między zalaniem a granicą chłodzenia.
Opór cieplny samej granicy chłodzącej (grubość ścianki obudowy i materiał, wydajność radiatora).
W zespołach, w których opór cieplny warstwy zalewowej jest terminem dominującym -, co można rozpoznać po tym, że usunięcie go z modelu powoduje powstanie temperatury złącza znacznie poniżej zmierzonej wartości -, wybór przewodności cieplnej masy zalewającej ma bezpośredni wpływ na projekt termiczny. Jest to warunek, w którym określenie 1,5 W/m·K w porównaniu z 0,5 W/m·K powoduje znaczącą różnicę w niezawodności systemu.
Kiedy zalewanie termoprzewodzące nie rozwiązuje problemu
Określenie masy do zalewania o mocy 1,5 W/m·K nie rozwiąże problemu nadmiernej temperatury złącza, gdy:
Dominującym terminem jest połączenie komponentu-z-oporem obudowy.Jeżeli sam element stanowi wąskie gardło termiczne, poprawa przewodności masy zalewowej ma marginalny wpływ. Przed zmianą materiałów należy przeanalizować pełny model termiczny, aby określić, który opór jest dominujący.
Część doniczkowa jest cienka (poniżej 5 mm).Przy małej grubości bezwzględny opór cieplny warstwy zalewowej jest niewielki niezależnie od przewodności. Określenie 1,5 W/m·K w przypadku warstwy doniczkowej o grubości 5 mm zwiększa złożoność procesu bez znaczących korzyści termicznych.
Ścieżka chłodzenia pomiędzy zewnętrzną powierzchnią zalewania a otoczeniem stanowi opór ograniczający.Jeśli naturalną konwekcją z powierzchni obudowy jest wąskie gardło termiczne, zmniejszenie oporu warstwy zalewającej przesuwa wąskie gardło o jeden stopień na zewnątrz -, nie zmniejsza to proporcjonalnie temperatury złącza.
Rozmieszczenie pustek i wypełniaczy nie jest kontrolowane.Mieszanka przewodząca ciepło z 10–15% zawartością pustych przestrzeni może działać nie lepiej niż standardowa mieszanka z zerową liczbą pustych przestrzeni, ponieważ puste przestrzenie tworzą lokalne opory termiczne przekraczające poprawę przewodności w masie.
Powiązany produkt do zarządzania ciepłem w zalewaniach-grubych sekcjach
E533/H533 to silnie wypełniona, dwu-składnikowa epoksydowa masa zalewowa zapewniająca przewodność cieplną 1,5 W/m·K i Tg 127 stopni. Aby uzyskać swoje znamionowe właściwości, wymaga dwuetapowego utwardzania ciepłem (80 stopni × 2 godziny + 120 stopni × 4 godziny). Składnik podstawowy (E533) ma lepkość 500 000–1 500 000 cps przy - mechanicznym-mieszaniu wstępnym w temperaturze 25 stopni i dozowaniu podgrzanym w temperaturze 50 stopni (gdzie lepkość mieszaniny spada do 700–1 500 000 cps) są wymagane do stałego rozwoju właściwości i-wolnego wypełnienia pustych przestrzeni.
Status certyfikacji UL 94 V-0 w pliku E120665 (wymieniony jako E-53(Y)/H-53(Y)) należy potwierdzić w firmie Fong Yong Chemical przed specyfikacją, ponieważ stan badań uzupełniających na grudzień 2025 r. wymaga weryfikacji. Inżynierowie, którzy wymagają aktualnie aktywnego certyfikatu UL, powinni potwierdzić harmonogram przywrócenia przed włączeniem E533/H533 do produktu końcowego znajdującego się na liście UL.
👉 🔗 Strona produktu E533/H533 - Dane techniczne, przewodność cieplna, uwagi dotyczące zastosowań
Kluczowe pytania inżynieryjne
Przy jakiej grubości zalewania specyfikacja przewodności cieplnej zaczyna mieć znaczenie?
Ogólnie rzecz biorąc, opór cieplny warstwy zalewowej staje się znaczący w porównaniu z innymi oporami termicznymi na ścieżce, gdy przekrój zalany przekracza około 8–10 mm, a gęstość rozpraszania mocy przekracza 1 W/cm². Poniżej tych progów bezwzględna rezystancja warstwy zalewowej zazwyczaj nie jest terminem dominującym, a zwiększenie przewodności cieplnej z 0,5 do 1,5 W/m·K powoduje poprawę temperatury złącza o mniej niż 5 stopni. Należy to potwierdzić, przeprowadzając obliczenia w pełnym modelu termicznym dla określonej geometrii przed podjęciem decyzji o zmianie materiału.
Czy można zmierzyć przewodność cieplną na próbkach produkcyjnych, aby sprawdzić, czy związek działa zgodnie ze specyfikacją?
Tak, ale pomiar należy wykonać na próbkach utwardzonych, wyprodukowanych w wielkości partii produkcyjnej i w warunkach odgazowania, a nie na próbkach laboratoryjnych przygotowanych w idealnych warunkach. Przewodność cieplna w systemach o dużym wypełnieniu jest wrażliwa na zawartość pustych przestrzeni i rozkład wypełniacza. Próbka produkcyjna zawierająca 5% pustych przestrzeni i niepełną dyspersję wypełniacza-w wyniku nieodpowiedniego-mieszania wstępnego może mieć wynik 0,8–1,0 W/m·K zamiast 1,5 W/m·K. Okresowy pomiar przewodności cieplnej na reprezentatywnych-produkcyjnych próbkach jest właściwym podejściem do weryfikacji, a nie poleganiem wyłącznie na wartościach TDS.
Czy Tg masy zalewowej wpływa na jej przewodność cieplną podczas pracy?
Przewodność cieplna w układach silnie wypełnionych jest mniej wrażliwa na przejście Tg niż właściwości mechaniczne. Głównym problemem powyżej Tg jest stabilność wymiarowa i pełzanie - związek mięknie, współczynnik CTE wzrasta około 2–3 razy, a długotrwałe obciążenie powoduje pełzanie na styku-komponentu zalewania. Przewodność cieplna nie spada dramatycznie przy Tg w przypadku mocno wypełnionego układu, ponieważ cząstki wypełniacza (które przenoszą większość ciepła) pozostają na swoim miejscu. Problem Tg w zastosowaniach obciążonych termicznie ma charakter mechaniczny, a nie związany z przewodnością cieplną-.
Dalsze kroki - Skontaktuj się z firmą Fong Yong Chemical
