Рисунок 1.Снимки тепловизионной камеры герметизированных силовых модулей с толстой- секцией часто показывают, что слой герметизации является доминирующим тепловым сопротивлением -, переменная, отсутствующая в большинстве первоначальных тепловых моделей.
Тепловая модель показала температуру перехода 95 градусов при полной нагрузке. Сборка проходит при 118 градусах. Возврат компонентов начинается через 14 месяцев. - Дрейф порога затвора IGBT, выход из строя электролитического конденсатора, усталость паяных соединений, сконцентрированная вокруг зоны высокого-рассеяния. Команда инженеров исследует качество компонентов. Медный вес печатной платы. Контактное сопротивление радиатора. Никто не открывает тепловую модель и не добавляет строку для эпоксидной заливки между компонентом и стенкой корпуса. Эта позиция, если бы она была включена, показала бы вклад теплового сопротивления в размере 0,04–0,06 К/Вт на см² при стандартной толщине заливки -, достаточной, чтобы объяснить большую часть несоответствия между моделью и измерениями.
Стандартные эпоксидные заливочные массы с плотностью 0,5 Вт/м·К не являются термически нейтральными в конструкциях с толстыми-секциями. Это теплоизоляторы с огнезащитной-функцией. Если рассматривать их как термически прозрачные в тепловой модели силовой электроники, это причина, а не симптом проблемы температуры перехода.
Термическое сопротивление заливочного слоя: количественная оценка
Термическое сопротивление плоского слоя рассчитывается как R=t / (k × A), где t — толщина слоя, k — теплопроводность, а A — площадь поперечного сечения-. Для стандартной заливочной массы при k=0.5 Вт/м·К:
При толщине 10 мм, площади 1 см²: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 К/Вт.
При толщине 15 мм, площади 1 см²: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 К/Вт.
При толщине 20 мм, площади 1 см²: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 К/Вт.
Это не ничтожные ценности. Модуль питания, рассеивающий 5 Вт через секцию заливки размером 15 мм × 1 см², испытывает повышение температуры на 1,5 градуса по всей заливке при 0,5 Вт/м·К -, что кажется малым до тех пор, пока площадь поперечного сечения - не станет 2 см², рассеивание не составит 20 Вт и горячая точка не сконцентрируется. В плотных схемах силовых модулей, где несколько рассеивающих компонентов делят общий объем герметика, совокупное тепловое сопротивление герметизирующего слоя вносит 15–30 градусов в баланс перехода-с-окружающей средой в конструкциях, где этот вклад не моделировался.
При k=1.5 Вт/м·К та же геометрия обеспечивает одну-треть термического сопротивления. Является ли это снижение значимым, зависит от того, каковы другие сопротивления в тепловом пути. - Если сопротивление перехода-к-корпуса компонента преобладает, улучшение заливочного состава дает мало пользы. Термическое сопротивление герметизирующего слоя имеет наибольшее значение, когда оно является доминирующим фактором в пути, что встречается в конструкциях с толстыми-секциями с относительно низким-путями охлаждения на внешней поверхности.
Рисунок 2.В участке заливки толщиной 15 мм переход с 0,5 Вт/м·К на 1,5 Вт/м·К снижает тепловое сопротивление слоя заливки примерно на две-трети. Является ли это снижение значительным, зависит от относительной величины других сопротивлений на тепловом пути.
Там, где преобладает тепловое сопротивление заливки толстой-секции
Не каждая герметичная сборка чувствительна к теплопроводности заливочного состава. Следующие расчетные условия определяют случаи, когда слой заливки, вероятно, будет иметь доминирующее тепловое сопротивление:
Толщина заливочного слоя более 8–10 мм.Ниже этого диапазона абсолютное термическое сопротивление герметизирующего слоя обычно невелико по сравнению с другими сопротивлениями на пути. Выше этого диапазона, особенно когда охлаждающей поверхностью является внешняя стенка корпуса, доминирующим термином часто становится слой заливки.
Плотность рассеиваемой мощности более 1 Вт/см² в объеме заливки.При низкой плотности рассеяния перепад температур поперек слоя заливки остается в допустимых пределах даже при значении 0,5 Вт/м·К. По мере увеличения удельной мощности одно и то же тепловое сопротивление приводит к пропорционально большей разнице температур.
Топология канала охлаждения, при которой тепло должно проходить через слой заливки, чтобы достичь охлаждающей поверхности.В сборках, где радиатор или стенка корпуса являются основным путем охлаждения, а герметизированный объем отделяет компонент от этой поверхности, обходной путь отсутствует, - 100% рассеиваемого компонента тепла должно проходить через герметизацию. В сборках, где компонент может охлаждаться через выводы, медную пластину печатной платы или прямой контакт с корпусом, вклад заливки снижается.
Применения в непрерывном режиме без сброса температурных циклов.Компонент, который постоянно работает вблизи предела температуры перехода, накапливает деградацию линейно. Снижение температуры перехода на 15 градусов -, достижимое за счет выбора заливочного состава в некоторых геометриях -, может удвоить срок службы компонентов при ухудшении модели Аррениуса-.
Почему стандартная теплопроводность эпоксидной смолы низкая и что ее повышает
Ненаполненные и слабонаполненные эпоксидные смолы имеют теплопроводность в пределах 0,15–0,25 Вт/м·К. Это присуще сшитой полимерной матрице. - Полимерные цепи являются плохими проводниками тепла, поскольку передача тепла в аморфных полимерах осуществляется в основном за счет передачи колебательной энергии вдоль цепей, что неэффективно по сравнению с кристаллическими материалами. Значения 0,5–0,7 Вт/м·К, типичные для стандартных огнестойких-эпоксидных заливочных масс, отражают некоторое содержание наполнителя -, обычно тех же неорганических наполнителей, которые способствуют огне-огнезащитной функции -, но при содержании наполнителя, оптимизированном для технологичности и огнестойкости, а не для теплопроводности.
Для достижения 1,5 Вт/м·К требуется значительно более высокая загрузка наполнителя теплопроводными неорганическими частицами -, обычно гидроксидом алюминия, оксидом алюминия или нитридом бора с объемной долей более 50%. Компромисс-это резкое увеличение вязкости базового компонента: состав, обеспечивающий 1,5 Вт/м·К, обычно будет иметь базовую вязкость в диапазоне 500 000–1 500 000 сП при 25 градусах по сравнению с 4 000–10 000 сП для стандартной огнезащитной системы-. Этот диапазон вязкости требует механического предварительного-смешивания и предпочтительно дозирования с подогревом при 50 градусах, чтобы добиться заполнения-без пустот в ограниченных полостях заливки. Увеличение теплопроводности реально, но оно связано с требованиями технологической дисциплины, которых нет при стандартной заливке эпоксидной смолой.
Важный, но часто упускаемый из виду момент:теплопроводность высоконаполненной системы достигается только тогда, когда наполнитель равномерно распределен в отвержденной части.Наполнитель, оседающий в базовом компоненте во время хранения -, что важно в системах с плотностью частиц, существенно превышающей смолу-носитель -, приводит к образованию отвержденной секции с переменным распределением наполнителя и, следовательно, переменной теплопроводностью. Теплопроводность, измеренная в одном месте отвержденной детали, может не отражать среднее значение по объему и не будет отражать участки, куда был залит верхний материал с обедненным наполнителем. Это не дефект материала -, это дефект обращения. Предварительное-смешивание базового компонента в оригинальном контейнере перед взвешиванием не является обязательным в системах с высоким-наполнителем.
Рисунок 3.Оседание наполнителя в базовом компоненте E533 во время хранения является достаточно значительным, чтобы вызвать измеримую неоднородность-однородности отвержденной теплопроводности, если контейнер не перемешивается механически повторно-перед взвешиванием.
Проблема пустот: почему дегазация более важна в теплопроводных системах
В стандартном эпоксидном заливочном компаунде с плотностью 0,5 Вт/м·К захваченные пустоты снижают местную диэлектрическую прочность и создают места концентрации напряжений. В теплопроводном соединении, предназначенном для проведения тепла, пустоты имеют дополнительное, более серьезное последствие: они представляют собой теплоизоляторы, встроенные в теплопроводящую матрицу.
Теплопроводность воздуха в условиях окружающей среды составляет примерно 0,026 Вт/м·К - примерно 1/58 от окружающей матрицы с коэффициентом теплопроводности 1,5 Вт/м·К. Сферическая пустота в теплопроводящей матрице создает локальное термическое сопротивление, на порядки превышающее сопротивление окружающего материала. В силовом модуле с толстой-секцией, в котором целью проектирования является передача тепла через герметизацию к стенке корпуса, скопление пустот в критическом месте может создать локальное тепловое узкое место, что не дает цели указать компаунд с более высокой-проводимостью.
Поэтому вакуумная дегазация более значима в теплопроводных системах, чем в стандартных системах. Аргументом в пользу дегазации стандартной системы является, прежде всего, диэлектрические пустоты -, которые снижают эффективную диэлектрическую прочность. Аргумент в пользу дегазации теплопроводящей системы является как диэлектрическим, так и термическим. Требуется ли дегазация для конкретного применения, зависит от геометрии полости и содержания пустот, достижимых за счет тщательного дозирования, но в герметичных модулях с высокой-мощностью-плотностью можно с уверенностью предположить, что дегазация требуется, если качество заполнения полостей не было проверено на репрезентативных образцах.
Температура стеклования и ее связь с тепловыми характеристиками
Теплопроводный герметик используется в жаркой среде по определению -, что является условием применения, которое мотивировало его выбор. Температура стеклования (Tg) отвержденной системы определяет, при какой температуре механическая форма заливки начинает меняться. Ниже Tg соединение становится стеклообразным, жестким и стабильным по размерам. Выше Tg полимерная сетка переходит в эластичное состояние со значительно сниженным модулем упругости и быстро увеличивающимся КТР.
Для герметичного силового агрегата, работающего при повышенной температуре, Tg соединения устанавливает верхнюю границу надежной стабильности размеров -, а не максимальную температуру непрерывной эксплуатации, для которой требуется температурный запас ниже Tg. Если температура герметизирующей секции приближается к Tg или превышает ее во время нормальной работы, компаунд будет расползаться под нагрузкой собственного теплового расширения, что может привести к растрескиванию интерфейса со встроенными компонентами или корпуса.
Это означает, что требование Tg для теплопроводящего соединения определяется выходными данными тепловой модели -, а именно прогнозируемой температурой ядра герметичной секции при максимальной продолжительной нагрузке -, а не температурой окружающей среды корпуса. В плотном силовом модуле, где слой заливки снижает температуру перехода, но сердцевина залитой массы все равно достигает 110 градусов, имеет смысл использовать компаунд с Tg 127 градусов (с запасом по эксплуатации ~17 градусов). В таких условиях соединение с Tg 70 градусов начнет терять стабильность размеров.
Что должна включать правильная тепловая модель для герметичных сборок
Тепловая модель герметизированной силовой сборки, исключающая тепловое сопротивление заливочного компаунда, будет систематически занижать температуру перехода. Правильный подход включает в себя:
Термическое сопротивление перехода-к-корпуса каждого рассеивающего компонента (из таблицы данных компонента).
Контактное сопротивление между пакетом компонентов и окружающей заливочной массой (зависит от смачивания и содержания пустот на границе раздела).
Объемное тепловое сопротивление герметизирующего слоя от поверхности компонента до первой границы охлаждения (стенка корпуса, радиатор или медная пластина печатной платы).
Контактное или интерфейсное сопротивление между заливкой и границей охлаждения.
Термическое сопротивление самой границы охлаждения (толщина и материал стенки корпуса, эффективность радиатора).
В сборках, где термическое сопротивление заливочного слоя является доминирующим термином -, определяемым тем фактом, что его удаление из модели приводит к тому, что температура перехода существенно ниже измеренного значения -, выбор теплопроводности заливочного состава напрямую влияет на тепловой расчет. Это условие, при котором указание 1,5 Вт/м·К по сравнению с 0,5 Вт/м·К приводит к значимой разнице в надежности системы.
Когда теплопроводящая заливка не решает проблему
Выбор герметика 1,5 Вт/м·К не решит проблему перегрева перехода, если:
Преобладающим термином является сопротивление перехода-к-корпуса компонента.Если сам компонент является узким местом в температурном режиме, улучшение проводимости заливочного состава имеет незначительный эффект. Перед заменой материалов необходимо проанализировать полную тепловую модель, чтобы определить, какое сопротивление является доминирующим.
Участок заливки тонкий (менее 5 мм).При малой толщине абсолютное термическое сопротивление заливочного слоя невелико независимо от проводимости. Указание 1,5 Вт/м·К для слоя заливки толщиной 5 мм усложняет процесс без существенного термического преимущества.
Путь охлаждения между внешней поверхностью заливки и окружающей средой представляет собой предельное сопротивление.Если естественная конвекция от поверхности корпуса является узким тепловым горлышком, уменьшение сопротивления герметизирующего слоя перемещает узкое место на один шаг наружу -, но не снижает температуру перехода пропорционально.
Пустоты и распределение наполнителя не контролируются.Теплопроводящий состав с содержанием пустот 10–15% может работать не лучше, чем стандартный состав с нулевым содержанием пустот, поскольку пустоты создают локальное термическое сопротивление, превышающее улучшение объемной проводимости.
Сопутствующий продукт для управления температурным режимом при заливке толстых-секций
E533/H533 — это густонаполненный двухкомпонентный эпоксидный заливочный компаунд с теплопроводностью 1,5 Вт/м·К и температурой Tg 127 градусов. Для достижения номинальных свойств требуется двухэтапное термическое отверждение (80 градусов × 2 часа + 120 градусов × 4 часа). Базовый компонент (E533) имеет вязкость 500 000–1 500 000 сП при 25 градусах. - механическое предварительное-смешивание и нагретое дозирование при 50 градусах (когда вязкость смеси падает до 700–1 500 сП) необходимы для последовательного развития свойств и заполнения-без пустот.
Статус сертификации UL 94 V-0 в файле E120665 (указанный как E-53(Y)/H-53(Y)) должен быть подтвержден компанией Fong Yong Chemical перед спецификацией, поскольку статус последующих испытаний по состоянию на декабрь 2025 года требует проверки. Инженеры, которым требуется действующая в настоящее время сертификация UL, должны подтвердить сроки восстановления, прежде чем включать E533/H533 в конечный продукт, внесенный в список UL.
👉 🔗 Страница продукта E533/H533 - Технические данные, теплопроводность, рекомендации по применению
Ключевые инженерные вопросы
При какой толщине заливки значение теплопроводности начинает иметь значение?
Грубо говоря, тепловое сопротивление слоя заливки становится значительным по сравнению с другими тепловыми сопротивлениями на пути, когда площадь заливаемого сечения превышает примерно 8–10 мм, а плотность рассеиваемой мощности превышает 1 Вт/см². Ниже этих пороговых значений абсолютное сопротивление герметизирующего слоя обычно не является доминирующим параметром, и увеличение теплопроводности с 0,5 до 1,5 Вт/м·К приводит к повышению температуры перехода менее чем на 5 градусов. Прежде чем принимать решение об изменении материала, это следует подтвердить путем прогона чисел в полной тепловой модели для конкретной геометрии.
Можно ли измерить теплопроводность на промышленных образцах, чтобы убедиться в том, что состав работает так, как указано?
Да, но измерения следует проводить на отвержденных образцах, изготовленных при размере производственной партии и в условиях дегазации, а не на лабораторных образцах, приготовленных в идеальных условиях. Теплопроводность в сильнонаполненных системах чувствительна к содержанию пустот и распределению наполнителя. Производственный образец с содержанием пустот 5 % и неполным повторным диспергированием наполнителя из-за недостаточного предварительного-смешивания может иметь значение 0,8–1,0 Вт/м·К, а не 1,5 Вт/м·К. Периодическое измерение теплопроводности на производственных-репрезентативных образцах является правильным подходом к проверке, а не полагаться только на значения TDS.
Влияет ли Tg заливочной массы на ее теплопроводность в процессе эксплуатации?
Теплопроводность в высоконаполненных системах менее чувствительна к переходу Tg, чем механические свойства. Основной проблемой при превышении Tg является стабильность размеров и ползучесть -, состав размягчается, КТР увеличивается примерно в 2–3 раза, а постоянная нагрузка вызывает ползучесть на границе раздела заливочных-компонентов. Теплопроводность не падает резко при Tg для сильно заполненной системы, поскольку частицы наполнителя (которые переносят большую часть тепла) остаются на месте. Проблема Tg в приложениях с термической нагрузкой связана с механическими факторами, а не с теплопроводностью-.
Следующие шаги - Свяжитесь с Fong Yong Chemical
