Bild 1.Värmekameraavbildning av kraftmoduler med tjocka-sektioner avslöjar ofta ingjutningsskiktet som den dominerande termiska resistansen -, en variabel frånvarande från de flesta initiala termiska modeller.
Den termiska modellen visade korsningstemperaturen vid 95 grader under full belastning. Monteringen går i 118 grader. Komponentreturer börjar vid 14 månader - IGBT-grindtröskeldrift, elektrolytisk kondensatorfel, lödfogsutmattning koncentrerad runt den höga-förlustzonen. Ingenjörsteamet undersöker komponentkvalitet. PCB kopparvikten. Kylflänsens kontaktmotstånd. Ingen öppnar den termiska modellen och lägger till en rad för epoxiingjutningsmassan mellan komponenten och kapslingens vägg. Den raden, om den hade inkluderats, skulle ha visat ett bidrag till termiskt motstånd på 0,04–0,06 K/W per cm² vid standardingjutningstjocklek - tillräckligt för att ta hänsyn till större delen av avvikelsen mellan modell och mått.
Standard epoxigjutmassa vid 0,5 W/m·K är inte termiskt neutrala i tjocka-profiler. De är värmeisolatorer med en flam-funktion. Att behandla dem som termiskt transparenta i en termisk kraftelektronikmodell är orsaken, inte symtomet, på problemet med korsningstemperaturen.
Det termiska motståndet hos ett ingjutningslager: En kvantitativ bedömning
Värmemotstånd genom ett plant skikt beräknas som R=t / (k × A), där t är skikttjocklek, k är värmeledningsförmåga och A är tvärsnittsarea. För en standard ingjutningsmassa vid k=0.5 W/m·K:
Vid 10 mm tjocklek, 1 cm² area: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
Vid 15 mm tjocklek, 1 cm² area: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
Vid 20 mm tjocklek, 1 cm² area: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Dessa är inte försumbara värden. En effektmodul som förbrukar 5 W genom en 15 mm × 1 cm² ingjutningssektion upplever en temperaturökning på 1,5 grader över ingjutningen vid 0,5 W/m·K - vilket låter litet tills tvärsnittsarean är 2 cm², förlusten är 20 W och den heta punkten är koncentrerad. I täta kraftmodullayouter där flera försvinnande komponenter delar en ingjutningsvolym, bidrar den kumulativa termiska resistansen hos ingjutningsskiktet 15–30 grader till korsningen -till-omgivningsbudgeten i konstruktioner där detta bidrag inte modellerades.
Vid k=1.5 W/m·K ger samma geometri en- tredjedel av det termiska motståndet. Huruvida den minskningen är meningsfull beror på vad de andra motstånden i den termiska banan är - om korsningen-till-motståndet hos komponenten dominerar, vilket ger liten fördel att förbättra ingjutningsmassan. Det termiska motståndet för ingjutningsskiktet är mest följdriktigt när det är den dominerande termen i banan, vilket förekommer i tjocka-sektionsdesigner med relativt låga-kylningsvägar på den yttre ytan.
Figur 2.I en 15 mm tjock ingjutningssektion minskar byte från 0,5 W/m·K till 1,5 W/m·K ingjutningsskiktets termiska motstånd med ungefär två- tredjedelar. Huruvida denna minskning är signifikant beror på den relativa storleken av andra motstånd i den termiska banan.
Där tjocka-sektionens termiska motstånd dominerar
Inte varje ingjutningsenhet är känslig för ingjutningsmassans värmeledningsförmåga. Följande konstruktionsförhållanden identifierar fall där ingjutningsskiktet sannolikt har en dominerande termisk resistans:
Ingjutningssektionstjocklek över 8–10 mm.Under detta intervall är det absoluta termiska motståndet för ingjutningsskiktet typiskt litet i förhållande till andra motstånd i banan. Över detta intervall, särskilt när kylytan är den yttre inneslutningsväggen, blir ingjutningsskiktet ofta den dominerande termen.
Effektförlustdensitet över 1 W/cm² inom den inlagda volymen.Vid låg spridningsdensitet håller sig temperaturskillnaden över ingjutningsskiktet inom acceptabla gränser även vid 0,5 W/m·K. När effekttätheten ökar ger samma termiska motstånd proportionellt större temperaturskillnader.
Kylvägstopologi där värme måste ledas genom ingjutningsskiktet för att nå kylytan.I sammansättningar där en kylfläns eller höljesvägg är den primära kylvägen och den inkapslade volymen separerar komponenten från den ytan, finns det ingen förbiledningsbana - 100 % av komponentens avledda värme måste ledas genom ingjutningen. I sammansättningar där komponenten kan kylas genom ledningar, ett PCB-kopparplan eller direktkontakt med höljet, reduceras ingjutningsbidraget.
Kontinuerliga applikationer utan termisk cykling.En komponent som kontinuerligt går nära sin korsningstemperaturgräns ackumuleras linjärt. En 15 graders minskning av korsningstemperaturen - som kan uppnås genom val av ingjutningsmassa i vissa geometrier - kan fördubbla komponenternas livslängd under Arrhenius-modellnedbrytning.
Varför standard epoxivärmeledningsförmåga är låg och vad som höjer den
Ofyllda och lätt fyllda epoxihartser har en värmeledningsförmåga i intervallet 0,15–0,25 W/m·K. Detta är inneboende i den tvär-bundna polymermatrisen - polymerkedjorna är dåliga värmeledare eftersom värmeöverföringen i amorfa polymerer främst sker genom vibrationsenergiöverföring längs kedjor, vilket är ineffektivt jämfört med kristallina material. De 0,5–0,7 W/m·K-värden som är typiska för standard flamskyddade -epoxiingjutningsblandningar representerar visst fyllmedelsinnehåll - vanligtvis samma oorganiska fyllmedel som bidrar till den flam{10}}hämmande funktionen - men vid fyllmedelsladdningar optimerade för bearbetning och flamledningsförmåga, inte.
För att nå 1,5 W/m·K krävs betydligt högre fyllmedelsbelastning med termiskt ledande oorganiska partiklar - typiskt aluminiumhydroxid, aluminiumoxid eller bornitrid vid volymfraktioner över 50 %. Avvägningen- är en brant ökning av baskomponentens viskositet: en formulering som levererar 1,5 W/m·K kommer vanligtvis att ha en basviskositet i intervallet 500 000–1 500 000 cps vid 25 grader, jämfört med 4 000–10 000 cps för ett standardsystem 10 000 cps Det här viskositetsintervallet kräver mekanisk för-blandning, och helst uppvärmd dispensering vid 50 grader, för att uppnå tomrumsfri-fyllning i slutna ingjutningshåligheter. Värmeledningsförmågan är verklig, men den kommer med ett krav på processdisciplin som inte finns i standard epoxiingjutning.
En kritisk men ofta förbisedd punkt:värmeledningsförmågan hos ett högfyllt system uppnås endast när fyllmedlet är jämnt fördelat i den härdade sektionen.Fyllmedel sedimenterar i baskomponenten under lagring - vilket är signifikant i system med partikeldensiteter väsentligt över hartsbäraren - ger en härdad sektion med variabel fyllmedelsfördelning och därför variabel värmeledningsförmåga. Värmeledningsförmåga uppmätt på en plats i den härdade delen kanske inte representerar bulkgenomsnittet, och den kommer inte att representera sektioner där det fyllmedelsutarmade övre materialet hälldes. Detta är inte ett väsentligt fel - det är ett hanteringsfel. För-blandning av baskomponenten i originalbehållaren före vägning är inte valfritt i system med högt-fyllmedel.
Figur 3.Fyllnadsmedelsavsättning i E533-baskomponenten är tillräckligt stor under lagring för att ge mätbar o-enhetlighet i härdad värmeledningsförmåga om behållaren inte mekaniskt omblandas- före vägning.
Tomrumsproblemet: Varför avgasning är mer kritiskt i termiskt ledande system
I en standard 0,5 W/m·K epoxiingjutningsmassa minskar inneslutna hålrum den lokala dielektriska styrkan och skapar spänningskoncentrationsställen. I en termiskt ledande förening utformad för att leda värme har hålrum en ytterligare och allvarligare konsekvens: de är värmeisolatorer inbäddade i en värmeledande matris.
Luftens värmeledningsförmåga vid omgivningsförhållanden är ungefär 0,026 W/m·K - ungefär 1/58 av den omgivande 1,5 W/m·K-matrisen. Ett sfäriskt tomrum i en värmeledande matris skapar ett lokalt termiskt motstånd som är storleksordningar högre än det omgivande materialet. I en kraftmodul med tjock-sektion där designavsikten är att leda värme genom ingjutningen till kapslingens vägg, kan ett kluster av tomrum på en kritisk plats skapa en lokal termisk flaskhals som motverkar syftet med att specificera den högre-konduktiviteten.
Vakuumavgasning är därför mer följdriktig i termiskt ledande system än i standardsystem. Argumentet för att avgasa ett standardsystem är i första hand dielektriska - tomrum som minskar den effektiva dielektriska hållfastheten. Argumentet för att avgasa ett termiskt ledande system är både dielektriskt och termiskt. Huruvida en given applikation kräver avgasning beror på kavitetsgeometri och tomrumsinnehåll som kan uppnås genom noggrann dispensering, men i hög-effekt-densitetsmoduler är det säkra antagandet att avgasning krävs om inte kavitetsfyllningskvaliteten har validerats på representativa prover.
Glasövergångstemperatur och dess förhållande till termisk prestanda
En termiskt ledande ingjutningsmassa används i en varm miljö per definition -, vilket är applikationsvillkoret som motiverade valet. Glasövergångstemperaturen (Tg) för det härdade systemet bestämmer vid vilken temperatur den mekaniska formen av ingjutningen börjar förändras. Under Tg är föreningen glasartad, styv och formstabil. Ovanför Tg övergår polymernätverket till ett gummiartat tillstånd med signifikant reducerad modul och snabbt ökande CTE.
För en inkapslad kraftenhet som körs vid förhöjd temperatur, fastställer Tg för blandningen den övre gränsen för tillförlitlig dimensionsstabilitet - inte den kontinuerliga drifttemperaturmaximum, vilket kräver en termisk marginal under Tg. Om ingjutningssektionens kärntemperatur närmar sig eller överstiger Tg under normal drift, kommer massan att krypa under belastningen av sin egen termiska expansion, vilket potentiellt spricker gränsytan med inbäddade komponenter eller inneslutningen.
Detta innebär att Tg-kravet för en termiskt ledande förening bestäms av den termiska modellens uteffekt - specifikt av den förutsagda kärntemperaturen för den inkapslade sektionen vid maximal kontinuerlig belastning -, inte av den omgivande temperaturen i inneslutningen. I en tät kraftmodul där ingjutningsskiktet minskar kopplingstemperaturen men kärnan i den ingjutna massan fortfarande når 110 grader, är en förening med Tg på 127 grader (med en driftsmarginal på ~17 grader) meningsfull. En förening med Tg på 70 grader skulle börja förlora dimensionell stabilitet under dessa förhållanden.
Vad en korrekt termisk modell bör innehålla för krukor
En termisk modell för en inkapslad kraftenhet som utesluter ingjutningsmassans termiska motstånd kommer systematiskt att underförutse kopplingstemperaturen. Det korrekta tillvägagångssättet inkluderar:
Korsningen-till-är termisk resistans för varje avledande komponent (från komponentdatablad).
Kontaktresistansen mellan komponentförpackningen och den omgivande ingjutningsmassan (beror på vätnings- och tomrumsinnehåll vid gränssnittet).
Den bulktermiska resistansen hos ingjutningsskiktet från komponentytan till den första kylningsgränsen (höljesvägg, kylfläns eller PCB-kopparplan).
Kontakt- eller gränssnittsmotståndet mellan ingjutningen och kylningsgränsen.
Det termiska motståndet för själva kylgränsen (höljets väggtjocklek och material, kylflänseffektivitet).
I sammansättningar där ingjutningsskiktets termiska resistans är den dominerande termen - identifierad av det faktum att borttagning av den från modellen ger en korsningstemperatur väsentligt under det uppmätta värdet -, påverkar valet av ingjutningsblandningens värmeledningsförmåga direkt den termiska designen. Detta är tillståndet där specificering av 1,5 W/m·K mot 0,5 W/m·K ger en meningsfull skillnad i systemets tillförlitlighet.
När termiskt ledande ingjutning inte löser problemet
Att specificera en 1,5 W/m·K ingjutningsmassa kommer inte att lösa ett problem med övertemperatur i korsningen när:
Komponentövergången-till-casemotstånd är den dominerande termen.Om själva komponenten är den termiska flaskhalsen har en förbättring av ingjutningsmassans konduktivitet marginell effekt. Den fullständiga termiska modellen måste analyseras för att identifiera vilken resistans som är dominerande innan material byts.
Ingjutningssektionen är tunn (under 5 mm).Vid låg tjocklek är ingjutningsskiktets absoluta termiska motstånd liten oavsett konduktivitet. Genom att specificera 1,5 W/m·K för att hantera ett 5 mm ingjutningslager ökar processen komplexitet utan betydelsefulla termiska fördelar.
Kylvägen mellan ingjutningens yttre yta och omgivningen är det begränsande motståndet.Om naturlig konvektion från kapslingens yta är den termiska flaskhalsen, minskar motståndet i ingjutningsskiktet flaskhalsen ett steg utåt - det minskar inte korsningstemperaturen proportionellt.
Fördelningen av tomrum och fyllnadsmedel kontrolleras inte.En termiskt ledande förening med 10–15 % hålrumsinnehåll kanske inte presterar bättre än en standardblandning med noll hålrum, eftersom hålrummen skapar lokala värmeresistanser som överstiger förbättringen av bulkledningsförmågan.
Relaterad produkt för termisk hantering i tjock-sektionskrukning
E533/H533 är en kraftigt fylld, två-komponent epoxiingjutningsmassa som levererar 1,5 W/m·K värmeledningsförmåga och Tg 127 grader. Det kräver en värmehärdning i två-steg (80 grader × 2 timmar + 120 grader × 4 timmar) för att utveckla dess nominella egenskaper. Baskomponenten (E533) har en viskositet på 500 000–1 500 000 cps vid 25 graders - mekanisk för-förblandning och uppvärmd dispensering vid 50 grader (där blandad viskositet sjunker till 700–1 500 cps) krävs för konsekvent-fyllnadsutveckling.
UL 94 V-0 certifieringsstatus under fil E120665 (listad som E-53(Y)/H-53(Y)) bör bekräftas med Fong Yong Chemical före specifikation, eftersom uppföljningsteststatus från december 2025 kräver verifiering. Ingenjörer som kräver för närvarande aktiv UL-certifiering bör bekräfta återställningstidslinjen innan E533/H533 inkluderas i en UL-listad slutprodukt.
👉 🔗 E533/H533 produktsida - Tekniska data, värmeledningsförmåga, applikationsnoteringar
Nyckeltekniska frågor
Vid vilken ingjutningstjocklek börjar specifikationen för värmeledningsförmåga att spela någon roll?
Som en grov riktlinje blir ingjutningsskiktets termiska motstånd signifikant i förhållande till andra termiska motstånd i banan när den ingjutna sektionen överstiger cirka 8–10 mm och effektförlustdensiteten överstiger 1 W/cm². Under dessa tröskelvärden är den absoluta resistansen för ingjutningsskiktet vanligtvis inte den dominerande termen, och ökad värmeledningsförmåga från 0,5 till 1,5 W/m·K ger mindre än 5 graders förbättring av kopplingstemperaturen. Detta bör bekräftas genom att köra siffrorna i en fullständig termisk modell för den specifika geometrin innan ett beslut om materialändring fattas.
Kan värmeledningsförmåga mätas på produktionsprover för att verifiera att föreningen fungerar som specificerat?
Ja, men mätningen bör utföras på härdade prover gjorda vid produktionssatsstorlek och avgasningsförhållanden, inte på laboratorieprover som framställts under idealiska förhållanden. Värmeledningsförmåga i mycket fyllda system är känslig för tomrumsinnehåll och fyllmedelsfördelning. Ett produktionsprov med 5 % tomrumsinnehåll och ofullständig återfördelning av fyllmedel från otillräcklig för-förblandning kan mäta 0,8–1,0 W/m·K snarare än 1,5 W/m·K. Periodisk mätning av värmeledningsförmåga på produktions-representativa prover är den korrekta verifieringsmetoden, inte enbart beroende av TDS-värden.
Påverkar ingjutningsmassans Tg dess värmeledningsförmåga under drift?
Värmeledningsförmåga i högfyllda system är mindre känslig för Tg-övergång än mekaniska egenskaper. Det primära problemet ovanför Tg är dimensionsstabilitet och krypning - blandningen mjuknar, CTE ökar med cirka 2–3×, och ihållande belastning orsakar krypning vid ingjutnings-komponentens gränssnitt. Värmeledningsförmågan sjunker inte dramatiskt vid Tg för ett kraftigt fyllt system eftersom fyllmedelspartiklarna (som bär det mesta av värmen) stannar på plats. Tg-problemet i en termiskt belastad applikation är mekanisk, inte termisk konduktivitet-relaterad.
Nästa steg - Kontakta Fong Yong Chemical
