Figuur 1.Thermische camerabeelden van ingekapselde voedingsmodules met dikke{0}} secties laten vaak zien dat de inkapselingslaag de dominante thermische weerstand is, - een variabele die ontbreekt in de meeste initiële thermische modellen.
Het thermische model toonde een junctietemperatuur van 95 graden onder volledige belasting. De montage draait op 118 graden. Het retourneren van componenten begint na 14 maanden. - IGBT-poortdrempelafwijking, elektrolytische condensatorstoring, soldeerverbindingsmoeheid geconcentreerd rond de hoge- dissipatiezone. Het engineeringteam onderzoekt de kwaliteit van de componenten. Het PCB-kopergewicht. De contactweerstand van het koellichaam. Niemand opent het thermische model en voegt een regelitem toe voor de epoxy-ingietmassa tussen het onderdeel en de behuizingswand. Als dit regelitem was opgenomen, zou het een bijdrage aan de thermische weerstand hebben gehad van 0,04–0,06 K/W per cm² bij een standaard potdikte -, voldoende om het grootste deel van de discrepantie tussen model en meting te verklaren.
Standaard epoxy-ingietmassa's bij 0,5 W/m·K zijn niet thermisch neutraal bij ontwerpen met dikke- secties. Het zijn thermische isolatoren met een vlamvertragende functie. Het behandelen ervan als thermisch transparant in een thermisch model van vermogenselektronica is de oorzaak, en niet het symptoom, van het junctietemperatuurprobleem.
De thermische weerstand van een oppotlaag: een kwantitatieve beoordeling
De thermische weerstand door een vlakke laag wordt berekend als R=t / (k × A), waarbij t de laagdikte is, k de thermische geleidbaarheid en A het dwars- dwarsdoorsnedeoppervlak is. Voor een standaard potgrond bij k=0.5 W/m·K:
Bij een dikte van 10 mm, een oppervlakte van 1 cm²: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
Bij een dikte van 15 mm, een oppervlakte van 1 cm²: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
Bij een dikte van 20 mm, een oppervlakte van 1 cm²: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Dit zijn geen verwaarloosbare waarden. Een voedingsmodule die 5 W dissipeert door een potgedeelte van 15 mm x 1 cm² ervaart een temperatuurstijging van 1,5 graad over de potting bij 0,5 W/m·K -, wat klein klinkt totdat het dwarsdoorsnedeoppervlak 2 cm² bedraagt, de dissipatie 20 W is en de hotspot geconcentreerd is. In compacte vermogensmodule-indelingen waarbij meerdere dissiperende componenten een ingekapseld volume delen, draagt de cumulatieve thermische weerstand van de oppotlaag 15-30 graden bij aan de verbinding-naar-het omgevingsbudget in ontwerpen waarbij deze bijdrage niet is gemodelleerd.
Bij k=1.5 W/m·K produceert dezelfde geometrie een-derde van de thermische weerstand. Of die reductie betekenisvol is, hangt af van wat de andere weerstanden in het thermische pad zijn. - Als de weerstand tussen de verbinding- en- de behuizing van de component domineert, levert het verbeteren van de potgrond weinig voordeel op. De thermische weerstand van de potlaag is het meest consequent als dit de dominante term in het pad is, wat voorkomt bij ontwerpen met dikke- secties met relatief lage- koelpaden op het buitenoppervlak.
Figuur 2.In een oppotgedeelte van 15 mm dik vermindert het overschakelen van 0,5 W/m·K naar 1,5 W/m·K de thermische weerstand van de oppotlaag met ongeveer tweederde-. Of deze reductie significant is, hangt af van de relatieve grootte van andere weerstanden in het thermische pad.
Waar de thermische weerstand van dikke- sectiepotten domineert
Niet elk potsamenstel is gevoelig voor de thermische geleidbaarheid van de potgrond. De volgende ontwerpvoorwaarden identificeren gevallen waarin de inkapselingslaag waarschijnlijk een dominante thermische weerstand zal hebben:
Oppotdikte boven 8–10 mm.Beneden dit bereik is de absolute thermische weerstand van de inkapselingslaag doorgaans klein ten opzichte van andere weerstanden in het pad. Boven dit bereik, vooral wanneer het koeloppervlak de buitenste omhullingswand is, wordt de inkapseling vaak de dominante term.
Vermogensdissipatiedichtheid boven 1 W/cm² binnen het potvolume.Bij een lage dissipatiedichtheid blijft het temperatuurverschil over de inkapselingslaag zelfs bij 0,5 W/m·K binnen aanvaardbare grenzen. Naarmate de vermogensdichtheid toeneemt, produceert dezelfde thermische weerstand proportioneel grotere temperatuurverschillen.
Koelpadtopologie waarbij warmte door de potlaag moet geleiden om het koeloppervlak te bereiken.In samenstellingen waarbij een koellichaam of een behuizingswand het primaire koelpad vormt en het ingekapselde volume de component van dat oppervlak scheidt, is er geen bypass-pad. - 100% van de gedissipeerde warmte van de component moet door de inkapseling geleiden. In assemblages waarbij de component kan afkoelen via leidingen, een koperen PCB-vlak of direct contact met de behuizing, wordt de inkapselingsbijdrage verminderd.
Toepassingen bij continu gebruik zonder thermische cyclusverlichting.Een component die continu in de buurt van de grens van de junctietemperatuur werkt, accumuleert lineair degradatie. Een verlaging van de junctietemperatuur met 15 graden - die kan worden bereikt door de selectie van potgrond in sommige geometrieën - kan de levensduur van de componenten verdubbelen onder degradatie van het Arrhenius--model.
Waarom de standaard thermische geleidbaarheid van epoxy laag is en wat deze verhoogt
Ongevulde en licht gevulde epoxyharsen hebben een thermische geleidbaarheid in het bereik van 0,15–0,25 W/m·K. Dit is inherent aan de kruis-verbonden polymeermatrix. - polymeerketens zijn slechte thermische geleiders omdat warmteoverdracht in amorfe polymeren voornamelijk plaatsvindt via trillingsenergieoverdracht langs ketens, wat inefficiënt is vergeleken met kristallijne materialen. De 0,5–0,7 W/m·K-waarden die kenmerkend zijn voor standaard vlamvertragende epoxy-ingietverbindingen vertegenwoordigen een bepaald vulmiddelgehalte - meestal dezelfde anorganische vulstoffen die bijdragen aan de vlamvertragende functie - maar bij vulstofladingen die zijn geoptimaliseerd voor verwerkbaarheid en vlamprestaties, niet voor thermische geleidbaarheid.
Het bereiken van 1,5 W/m·K vereist een aanzienlijk hogere vulstofbelasting met thermisch geleidende anorganische deeltjes -, doorgaans aluminiumhydroxide, aluminiumoxide of boornitride bij volumefracties van meer dan 50%. De wisselwerking-is een sterke stijging van de viscositeit van de basiscomponenten: een formulering die 1,5 W/m·K levert, heeft doorgaans een basisviscositeit in het bereik van 500.000–1.500.000 cps bij 25 graden, vergeleken met 4.000–10.000 cps voor een standaard vlamvertragend systeem-. Dit viscositeitsbereik vereist mechanisch voormengen, en bij voorkeur verwarmde dosering op 50 graden, om lege ruimten-vrij te vullen in besloten potholtes. De winst in thermische geleidbaarheid is reëel, maar gaat gepaard met een procesdisciplinevereiste die niet aanwezig is bij standaard epoxy-potten.
Een cruciaal maar vaak over het hoofd gezien punt:de thermische geleidbaarheid van een hoog gevuld systeem wordt alleen bereikt als het vulmiddel gelijkmatig wordt verdeeld in het uitgeharde gedeelte.Het bezinken van het vulmiddel in de basiscomponent tijdens opslag -, wat significant is in systemen met deeltjesdichtheden aanzienlijk boven de harsdrager -, produceert een uitgehard gedeelte met een variabele verdeling van het vulmiddel en daardoor een variabele thermische geleidbaarheid. De thermische geleidbaarheid gemeten op één locatie in het uitgeharde deel vertegenwoordigt mogelijk niet het bulkgemiddelde, en vertegenwoordigt niet de secties waar het vulstof-arme bovenmateriaal werd gegoten. Dit is geen materiaalfout - het is een behandelingsfout. Het vooraf-mengen van de basiscomponent in de originele verpakking vóór het wegen is niet optioneel bij systemen met een hoog-vulvolume.
Figuur 3.De bezinking van het vulmiddel in de E533-basiscomponent is tijdens opslag significant genoeg om meetbare niet--uniformiteit in de uitgeharde thermische geleidbaarheid te veroorzaken als de container niet mechanisch opnieuw- wordt gemengd vóór het wegen.
Het holteprobleem: waarom ontgassen belangrijker is in thermisch geleidende systemen
In een standaard 0,5 W/m·K epoxy-ingietmassa verminderen ingesloten holtes de lokale diëlektrische sterkte en creëren spanningsconcentratieplaatsen. In een thermisch geleidende verbinding die is ontworpen om warmte te geleiden, hebben holtes een extra en ernstiger gevolg: het zijn thermische isolatoren ingebed in een thermisch geleidende matrix.
De thermische geleidbaarheid van lucht bij omgevingsomstandigheden is ongeveer 0,026 W/m·K -, grofweg 1/58ste van de omringende 1,5 W/m·K-matrix. Een bolvormige leegte in een thermisch geleidende matrix creëert een lokale thermische weerstand die ordes van grootte hoger is dan die van het omringende materiaal. In een voedingsmodule met een dikke- sectie waarvan het ontwerp de bedoeling heeft om warmte door de potgrond naar de muur van de behuizing te geleiden, kan een cluster van holtes op een kritieke locatie een plaatselijk thermisch knelpunt creëren dat het doel van het specificeren van de verbinding met een hogere- geleidbaarheid tenietdoet.
Vacuümontgassing heeft daarom meer consequenties bij thermisch geleidende systemen dan bij standaardsystemen. Het argument voor het ontgassen van een standaardsysteem is voornamelijk dat diëlektrische - holtes de effectieve diëlektrische sterkte verminderen. Het argument voor het ontgassen van een thermisch geleidend systeem is zowel diëlektrisch als thermisch. Of voor een bepaalde toepassing ontgassing nodig is, hangt af van de geometrie van de holte en de inhoud van de holle ruimtes die kan worden bereikt door zorgvuldige dosering, maar bij ingegoten modules met een hoge-vermogen-dichtheid is de veilige veronderstelling dat ontgassing vereist is, tenzij de vulkwaliteit van de holte is gevalideerd op representatieve monsters.
Glasovergangstemperatuur en de relatie ervan met thermische prestaties
Een thermisch geleidende potgrond wordt per definitie gebruikt in een warme omgeving -, dat is de toepassingsomstandigheden die tot de keuze hebben geleid. De glasovergangstemperatuur (Tg) van het uitgeharde systeem bepaalt bij welke temperatuur de mechanische vorm van het oppotten begint te veranderen. Beneden Tg is de verbinding glasachtig, stijf en maatvast. Boven Tg gaat het polymeernetwerk over naar een rubberachtige toestand met aanzienlijk verminderde modulus en snel toenemende CTE.
Voor een ingegoten energiesamenstel dat bij verhoogde temperatuur draait, bepaalt de Tg van de verbinding de bovengrens van betrouwbare maatstabiliteit - en niet het maximale continue gebruikstemperatuur, wat een thermische marge onder Tg vereist. Als de kerntemperatuur van het potgedeelte Tg benadert of overschrijdt tijdens normaal bedrijf, zal de verbinding kruipen onder de belasting van zijn eigen thermische uitzetting, waardoor mogelijk het grensvlak met ingebedde componenten of de behuizing barst.
Dit betekent dat de Tg-vereiste voor een thermisch geleidende verbinding wordt bepaald door de output van het thermische model -, specifiek door de voorspelde kerntemperatuur van het ingegoten gedeelte bij maximale continue belasting - en niet door de omgevingstemperatuur van de behuizing. In een compacte vermogensmodule waar de inkapselingslaag de junctietemperatuur verlaagt, maar de kern van de ingemaakte massa nog steeds een temperatuur van 110 graden bereikt, is een verbinding met een Tg van 127 graden (met een bedrijfsmarge van ~17 graden) zinvol. Een verbinding met een Tg van 70 graden zou onder deze omstandigheden maatstabiliteit beginnen te verliezen.
Wat een goed thermisch model moet omvatten voor ingemaakte assemblages
Een thermisch model voor een ingegoten energiesamenstel dat de thermische weerstand van de potverbinding uitsluit, zal de junctietemperatuur systematisch te laag voorspellen. De juiste aanpak omvat:
De thermische weerstand van de verbinding-naar-de behuizing van elk dissiperend onderdeel (uit het gegevensblad van het onderdeel).
De contactweerstand tussen het componentenpakket en de omringende potgrond (afhankelijk van de bevochtiging en de inhoud van de poriën op het grensvlak).
De bulk thermische weerstand van de inkapselingslaag vanaf het componentoppervlak tot de eerste koelgrens (behuizingswand, koellichaam of PCB-kopervlak).
De contact- of interfaceweerstand tussen de inkapselings- en de koelgrens.
De thermische weerstand van de koelgrens zelf (wanddikte en materiaal van de behuizing, efficiëntie van het koellichaam).
In samenstellingen waarbij de thermische weerstand van de potlaag de dominante term is -, geïdentificeerd door het feit dat het verwijderen ervan uit het model een junctietemperatuur oplevert die substantieel lager is dan de gemeten waarde -, heeft de selectie van de thermische geleidbaarheid van de potgrond rechtstreeks invloed op het thermische ontwerp. Dit is de situatie waarin het specificeren van 1,5 W/m·K versus 0,5 W/m·K een betekenisvol verschil in systeembetrouwbaarheid oplevert.
Wanneer thermisch geleidend oppotten het probleem niet oplost
Het specificeren van een potgrond van 1,5 W/m·K lost het probleem van overtemperatuur van juncties niet op wanneer:
De componentverbinding-naar-casusweerstand is de dominante term.Als de component zelf het thermische knelpunt is, heeft het verbeteren van de geleidbaarheid van de potgrond een marginaal effect. Het volledige thermische model moet worden geanalyseerd om te bepalen welke weerstand dominant is voordat er van materiaal wordt gewisseld.
Het oppotgedeelte is dun (minder dan 5 mm).Bij lage dikte is de absolute thermische weerstand van de inkapselingslaag klein, ongeacht de geleidbaarheid. Het specificeren van 1,5 W/m·K voor een inkapselingslaag van 5 mm voegt procescomplexiteit toe zonder betekenisvol thermisch voordeel.
Het koelpad tussen het buitenoppervlak van de pot en de omgeving is de beperkende weerstand.Als natuurlijke convectie vanaf het oppervlak van de behuizing het thermische knelpunt is, verplaatst het verminderen van de weerstand van de inkapselingslaag het knelpunt een stap naar buiten - het verlaagt de junctietemperatuur niet proportioneel.
De holtes en de verdeling van het vulmiddel worden niet gecontroleerd.Een thermisch geleidende verbinding met een holtegehalte van 10-15% presteert mogelijk niet beter dan een standaardverbinding zonder holtes, omdat de holtes lokale thermische weerstanden creëren die de verbetering van de bulkgeleiding te boven gaan.
Gerelateerd product voor thermisch beheer bij oppotten met dikke- secties
E533/H533 is een zwaar gevulde twee- epoxy-ingietmassa die een thermische geleidbaarheid van 1,5 W/m·K en een Tg van 127 graden levert. Het vereist een warmteuitharding in twee- fasen (80 graden × 2 uur + 120 graden × 4 uur) om de nominale eigenschappen te ontwikkelen. De basiscomponent (E533) heeft een viscositeit van 500.000–1.500.000 cps bij 25 graden - mechanisch voormengen- en verwarmd doseren bij 50 graden (waarbij de gemengde viscositeit daalt tot 700–1.500 cps) zijn vereist voor een consistente ontwikkeling van de eigenschappen en een vrije vulling van de lege ruimte-.
De UL 94 V-0-certificeringsstatus onder dossier E120665 (vermeld als E-53(Y)/H-53(Y)) moet vóór specificatie worden bevestigd door Fong Yong Chemical, aangezien de vervolgteststatus vanaf december 2025 verificatie vereist. Ingenieurs die momenteel actieve UL-certificering nodig hebben, moeten de hersteltijdlijn bevestigen voordat ze E533/H533 opnemen in een UL-gecertificeerd eindproduct.
👉 🔗 E533/H533 productpagina - Technische gegevens, thermische geleidbaarheid, toepassingsnotities
Belangrijke technische vragen
Bij welke potdikte gaat de specificatie van de thermische geleidbaarheid er toe doen?
Als ruwe richtlijn wordt de thermische weerstand van de inkapselingslaag aanzienlijk vergeleken met andere thermische weerstanden in het pad wanneer het ingemaakte gedeelte groter is dan ongeveer 8–10 mm en de vermogensdissipatiedichtheid groter is dan 1 W/cm². Beneden deze drempels is de absolute weerstand van de inkapselingslaag doorgaans niet de dominante term, en het verhogen van de thermische geleidbaarheid van 0,5 naar 1,5 W/m·K levert een verbetering van de junctietemperatuur van minder dan 5 graden op. Dit moet worden bevestigd door de cijfers uit te voeren in een volledig thermisch model voor de specifieke geometrie voordat een beslissing over materiaalwijziging wordt genomen.
Kan de thermische geleidbaarheid worden gemeten op productiemonsters om te verifiëren dat de verbinding presteert zoals gespecificeerd?
Ja, maar de meting moet worden uitgevoerd op uitgeharde monsters die zijn gemaakt onder productiebatchgrootte en ontgassingsomstandigheden, niet op laboratoriummonsters die onder ideale omstandigheden zijn bereid. De thermische geleidbaarheid in sterk gevulde systemen is gevoelig voor de inhoud van de poriën en de verdeling van de vulstof. Een productiemonster met een gehalte aan holle ruimtes van 5% en een onvolledige herverspreiding van het vulmiddel als gevolg van onvoldoende voormenging- kan 0,8–1,0 W/m·K bedragen in plaats van 1,5 W/m·K. Periodieke meting van de thermische geleidbaarheid op productie-representatieve monsters is de juiste verificatieaanpak, en niet alleen vertrouwen op TDS-waarden.
Heeft de Tg van de potgrond invloed op de thermische geleidbaarheid tijdens bedrijf?
Thermische geleidbaarheid in sterk gevulde systemen is minder gevoelig voor Tg-overgang dan mechanische eigenschappen. De voornaamste zorg boven Tg is dimensionele stabiliteit en kruip - de verbinding wordt zachter, CTE neemt met ongeveer 2–3× toe, en aanhoudende belasting veroorzaakt kruip op het grensvlak van de potcomponent. De thermische geleidbaarheid daalt niet dramatisch bij Tg voor een zwaar gevuld systeem, omdat de vulstofdeeltjes (die de meeste warmte transporteren) op hun plaats blijven. Het Tg-probleem bij een thermisch belaste toepassing is mechanisch en niet gerelateerd aan de thermische geleidbaarheid.
Volgende stappen - Neem contact op met Fong Yong Chemical
