Figura 1.Imagens de câmeras térmicas de módulos de potência encapsulados de seção espessa freqüentemente revelam a camada de encapsulamento como a resistência térmica dominante - uma variável ausente na maioria dos modelos térmicos iniciais.
O modelo térmico mostrou temperatura de junção de 95 graus sob plena carga. A montagem funciona a 118 graus. Os retornos dos componentes começam aos 14 meses - desvio do limite da porta IGBT, falha do capacitor eletrolítico, fadiga da junta de solda concentrada em torno da zona de alta-dissipação. A equipe de engenharia investiga a qualidade dos componentes. O peso do cobre PCB. A resistência de contato do dissipador de calor. Ninguém abre o modelo térmico e adiciona um item de linha para o composto de revestimento epóxi entre o componente e a parede do gabinete. Esse item de linha, se tivesse sido incluído, teria mostrado uma contribuição de resistência térmica de 0,04–0,06 K/W por cm² na espessura de envasamento padrão - suficiente para explicar a maior parte da discrepância entre o modelo e a medição.
Compostos de envasamento epóxi padrão a 0,5 W/m·K não são termicamente neutros em projetos de seção-espesa. São isolantes térmicos com função-retardadora de chama. Tratá-los como termicamente transparentes em um modelo térmico de eletrônica de potência é a causa, e não o sintoma, do problema de temperatura da junção.
A resistência térmica de uma camada de envasamento: uma avaliação quantitativa
A resistência térmica através de uma camada plana é calculada como R=t / (k × A), onde t é a espessura da camada, k é a condutividade térmica e A é a área da seção transversal-. Para um composto de envasamento padrão em k=0.5 W/m·K:
Na espessura de 10 mm, área de 1 cm²: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
Com 15 mm de espessura, área de 1 cm²: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
Na espessura de 20 mm, área de 1 cm²: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Estes não são valores desprezíveis. Um módulo de potência dissipando 5 W através de uma seção de encapsulamento de 15 mm × 1 cm² experimenta um aumento de temperatura de 1,5 grau através do encapsulamento a 0,5 W/m·K -, o que parece pequeno até que a área da seção transversal- seja de 2 cm², a dissipação seja de 20 W e o ponto quente esteja concentrado. Em layouts de módulos de potência densos, onde vários componentes dissipadores compartilham um volume encapsulado, a resistência térmica cumulativa da camada de encapsulamento contribui de 15 a 30 graus para a junção-com-o orçamento ambiental em projetos onde essa contribuição não foi modelada.
Em k=1.5 W/m·K, a mesma geometria produz um-terço da resistência térmica. Se essa redução é significativa depende de quais são as outras resistências no caminho térmico - se a resistência da junção-à-caixa do componente dominar, melhorar o composto de encapsulamento traz poucos benefícios. A resistência térmica da camada de encapsulamento tem maior importância quando é o termo dominante no caminho, o que ocorre em projetos de seção-espessa com caminhos de resfriamento de resistência-relativamente baixos na superfície externa.
Figura 2.Em uma seção de envasamento com 15 mm de espessura, a mudança de 0,5 W/m·K para 1,5 W/m·K reduz a resistência térmica da camada de envasamento em aproximadamente dois{3}}terços. Se esta redução é significativa depende da magnitude relativa de outras resistências no caminho térmico.
Onde a resistência térmica do envasamento de seção-espessa domina
Nem todo conjunto envasado é sensível à condutividade térmica do composto de envasamento. As seguintes condições de projeto identificam casos em que a camada de envasamento provavelmente terá uma resistência térmica dominante:
Espessura da seção de envasamento acima de 8–10 mm.Abaixo desta faixa, a resistência térmica absoluta da camada de envasamento é tipicamente pequena em relação a outras resistências no caminho. Acima desta faixa, particularmente quando a superfície de resfriamento é a parede externa do invólucro, a camada de envasamento torna-se frequentemente o termo dominante.
Densidade de dissipação de potência acima de 1 W/cm² dentro do volume encapsulado.Em baixa densidade de dissipação, o diferencial de temperatura através da camada de envasamento permanece dentro de limites aceitáveis mesmo a 0,5 W/m·K. À medida que a densidade de potência aumenta, a mesma resistência térmica produz diferenciais de temperatura proporcionalmente maiores.
Topologia do caminho de resfriamento onde o calor deve ser conduzido através da camada de envasamento para alcançar a superfície de resfriamento.Em montagens onde um dissipador de calor ou parede do gabinete é o caminho de resfriamento principal e o volume encapsulado separa o componente dessa superfície, não há caminho de desvio - 100% do calor dissipado do componente deve ser conduzido através do encapsulamento. Em montagens onde o componente pode resfriar através dos cabos, de um plano de cobre da PCB ou do contato direto com o invólucro, a contribuição do encapsulamento é reduzida.
Aplicações de serviço contínuo sem alívio de ciclagem térmica.Um componente que funciona continuamente próximo ao seu limite de temperatura de junção acumula degradação linearmente. Uma redução de 15 graus na temperatura da junção - alcançável através da seleção do composto de envasamento em algumas geometrias - pode dobrar a vida útil do componente sob a degradação do modelo-de Arrhenius.
Por que a condutividade térmica padrão do epóxi é baixa e o que a aumenta
As resinas epóxi sem carga e com carga leve têm condutividade térmica na faixa de 0,15–0,25 W/m·K. Isso é inerente à matriz polimérica reticulada -. As cadeias poliméricas são fracas condutoras térmicas porque a transferência de calor em polímeros amorfos ocorre principalmente por meio da transferência de energia vibracional ao longo das cadeias, o que é ineficiente em comparação com materiais cristalinos. Os valores de 0,5 a 0,7 W/m·K típicos de compostos de envasamento epóxi retardadores de chama padrão representam algum conteúdo de enchimento - geralmente os mesmos enchimentos inorgânicos que contribuem para a função retardadora de chama -, mas em cargas de enchimento otimizadas para processabilidade e desempenho de chama, não para condutividade térmica.
Atingir 1,5 W/m·K requer uma carga de enchimento significativamente maior com partículas inorgânicas termicamente condutoras - normalmente hidróxido de alumínio, alumina ou nitreto de boro em frações de volume acima de 50%. A compensação-é um aumento acentuado na viscosidade do componente de base: uma formulação que fornece 1,5 W/m·K normalmente terá uma viscosidade de base na faixa de 500.000 a 1.500.000 cps a 25 graus, em comparação com 4.000 a 10.000 cps para um sistema-retardador de chama padrão. Essa faixa de viscosidade requer pré-mistura mecânica e, de preferência, distribuição aquecida a 50 graus, para obter preenchimento-livre de vazios em cavidades de envasamento confinadas. O ganho de condutividade térmica é real, mas vem com um requisito de disciplina de processo que não está presente no envasamento de epóxi padrão.
Um ponto crítico, mas frequentemente esquecido:a condutividade térmica de um sistema altamente preenchido só é alcançada quando o enchimento é distribuído uniformemente na seção curada.A sedimentação da carga no componente base durante o armazenamento -, que é significativa em sistemas com densidades de partículas substancialmente acima do transportador de resina -, produz uma seção curada com distribuição de carga variável e, portanto, condutividade térmica variável. A condutividade térmica medida em um local da peça curada pode não representar a média geral e não representará seções onde o material superior-esgotado de enchimento foi derramado. Este não é um defeito de material - é um defeito de manuseio. A pré-mistura do componente base em seu recipiente original antes da pesagem não é opcional em sistemas-de alto enchimento.
Figura 3.A sedimentação do enchimento no componente base E533 é significativa o suficiente durante o armazenamento para produzir não-uniformidade mensurável na condutividade térmica curada se o recipiente não for re{2}}misturado mecanicamente antes da pesagem.
O problema dos vazios: por que a desgaseificação é mais crítica em sistemas termicamente condutivos
Em um composto de envasamento epóxi padrão de 0,5 W/m·K, os vazios aprisionados reduzem a rigidez dielétrica local e criam locais de concentração de tensão. Num composto termicamente condutor concebido para conduzir calor, os vazios têm uma consequência adicional e mais grave: são isolantes térmicos incorporados numa matriz termicamente condutora.
A condutividade térmica do ar em condições ambientais é de aproximadamente 0,026 W/m·K - aproximadamente 1/58 da matriz circundante de 1,5 W/m·K. Um vazio esférico em uma matriz termicamente condutora cria uma resistência térmica local que é muito maior do que o material circundante. Em um módulo de energia de seção-espessa em que a intenção do projeto é conduzir o calor através do encapsulamento até a parede do gabinete, um aglomerado de vazios em um local crítico pode criar um gargalo térmico local que anula o propósito de especificar o composto de{8}condutividade mais alta.
A desgaseificação a vácuo tem, portanto, mais consequências em sistemas termicamente condutores do que em sistemas padrão. O argumento para a desgaseificação de um sistema padrão é principalmente dielétrico - os vazios reduzem a rigidez dielétrica efetiva. O argumento para a desgaseificação de um sistema termicamente condutor é tanto dielétrico quanto térmico. Se uma determinada aplicação requer desgaseificação depende da geometria da cavidade e do conteúdo de vazios obtidos por meio de distribuição cuidadosa, mas em módulos encapsulados de alta-potência-densidade, a suposição segura é que a desgaseificação é necessária, a menos que a qualidade do preenchimento da cavidade tenha sido validada em amostras representativas.
Temperatura de transição vítrea e sua relação com o desempenho térmico
Um composto de envasamento termicamente condutor está sendo usado em um ambiente quente por definição - que é a condição de aplicação que motivou a seleção. A temperatura de transição vítrea (Tg) do sistema curado determina a que temperatura a forma mecânica do envasamento começa a mudar. Abaixo de Tg, o composto é vítreo, rígido e dimensionalmente estável. Acima de Tg, a rede polimérica transita para um estado emborrachado com módulo significativamente reduzido e CTE aumentando rapidamente.
Para um conjunto de potência encapsulado operando em temperatura elevada, a Tg do composto estabelece o limite superior de estabilidade dimensional confiável - e não a temperatura máxima de serviço contínuo, o que requer uma margem térmica abaixo de Tg. Se a temperatura central da seção de encapsulamento se aproximar ou exceder Tg durante a operação normal, o composto irá se arrastar sob a carga de sua própria expansão térmica, potencialmente rachando a interface com os componentes incorporados ou com o gabinete.
Isso significa que o requisito de Tg para um composto termicamente condutor é determinado pela saída do modelo térmico - especificamente pela temperatura central prevista da seção encapsulada na carga contínua máxima - e não pela temperatura ambiente do gabinete. Em um módulo de potência denso onde a camada de encapsulamento reduz a temperatura da junção, mas o núcleo da massa encapsulada ainda atinge 110 graus, um composto com Tg de 127 graus (com uma margem operacional de ~17 graus) é significativo. Um composto com Tg de 70 graus começaria a perder estabilidade dimensional nessas condições.
O que um modelo térmico adequado deve incluir para montagens em vasos
Um modelo térmico para um conjunto de potência encapsulado que exclui a resistência térmica do composto de encapsulamento subestimará sistematicamente a temperatura da junção. A abordagem correta inclui:
A resistência térmica-da{1}}junção do gabinete de cada componente dissipador (da folha de dados do componente).
A resistência de contato entre o pacote de componentes e o composto de envasamento circundante (depende da umidade e do conteúdo de vazios na interface).
A resistência térmica em massa da camada de encapsulamento desde a superfície do componente até o primeiro limite de resfriamento (parede do gabinete, dissipador de calor ou plano de cobre da PCB).
A resistência de contato ou interface entre o envasamento e o limite de resfriamento.
A resistência térmica do próprio limite de resfriamento (espessura e material da parede do gabinete, eficiência do dissipador de calor).
Em montagens onde a resistência térmica da camada de encapsulamento é o termo dominante - identificado pelo fato de que removê-la do modelo produz uma temperatura de junção substancialmente abaixo do valor medido - a seleção da condutividade térmica do composto de encapsulamento afeta diretamente o projeto térmico. Esta é a condição em que especificar 1,5 W/m·K versus 0,5 W/m·K produz uma diferença significativa na confiabilidade do sistema.
Quando o envasamento termicamente condutor não resolve o problema
Especificar um composto de envasamento de 1,5 W/m·K não resolverá o problema de superaquecimento da junção quando:
A junção do componente-à-resistência do caso é o termo dominante.Se o próprio componente for o gargalo térmico, melhorar a condutividade do composto de envasamento terá um efeito marginal. O modelo térmico completo deve ser analisado para identificar qual resistência é dominante antes de alterar os materiais.
A seção de envasamento é fina (abaixo de 5 mm).Em espessuras baixas, a resistência térmica absoluta da camada de envasamento é pequena, independentemente da condutividade. A especificação de 1,5 W/m·K para lidar com uma camada de encapsulamento de 5 mm adiciona complexidade ao processo sem benefício térmico significativo.
O caminho de resfriamento entre a superfície externa do envasamento e o ambiente é a resistência limitante.Se a convecção natural da superfície do invólucro for o gargalo térmico, a redução da resistência da camada de envasamento move o gargalo um passo para fora - e não reduz a temperatura da junção proporcionalmente.
Os vazios e a distribuição do preenchimento não são controlados.Um composto termicamente condutor com 10-15% de conteúdo de vazios pode não ter um desempenho melhor do que um composto padrão com zero vazios, porque os vazios criam resistências térmicas locais que excedem a melhoria da condutividade global.
Produto relacionado para gerenciamento térmico em envasamento de{{0}seções espessas
E533/H533 é um composto de envasamento epóxi de dois{2}}componentes fortemente preenchido que fornece condutividade térmica de 1,5 W/m·K e Tg 127 graus. Requer uma cura térmica de dois-estágios (80 graus × 2 horas + 120 graus × 4 horas) para desenvolver suas propriedades nominais. O componente base (E533) tem uma viscosidade de 500.000–1.500.000 cps a 25 graus. - pré-mistura mecânica e distribuição aquecida a 50 graus (onde a viscosidade da mistura cai para 700–1.500 cps) são necessárias para desenvolvimento consistente de propriedades e preenchimento livre de-vazios.
O status de certificação UL 94 V-0 sob o arquivo E120665 (listado como E-53(Y)/H-53(Y)) deve ser confirmado com a Fong Yong Chemical antes da especificação, já que o status dos testes de acompanhamento em dezembro de 2025 exige verificação. Os engenheiros que exigem certificação UL atualmente ativa devem confirmar o cronograma de reintegração antes de incluir o E533/H533 em um produto final listado pela UL.
👉 🔗 Página do produto E533/H533 - Dados técnicos, condutividade térmica, notas de aplicação
Principais questões de engenharia
Em que espessura de revestimento a especificação de condutividade térmica começa a importar?
Como orientação aproximada, a resistência térmica da camada de encapsulamento torna-se significativa em relação a outras resistências térmicas no caminho quando a seção encapsulada excede aproximadamente 8–10 mm e a densidade de dissipação de energia excede 1 W/cm². Abaixo destes limites, a resistência absoluta da camada de envasamento normalmente não é o termo dominante, e o aumento da condutividade térmica de 0,5 para 1,5 W/m·K produz menos de 5 graus de melhoria na temperatura da junção. Isto deve ser confirmado executando os números em um modelo térmico completo para a geometria específica antes de tomar uma decisão de mudança de material.
A condutividade térmica pode ser medida em amostras de produção para verificar se o composto está funcionando conforme especificado?
Sim, mas a medição deve ser realizada em amostras curadas feitas no tamanho do lote de produção e em condições de desgaseificação, e não em amostras de laboratório preparadas em condições ideais. A condutividade térmica em sistemas altamente preenchidos é sensível ao conteúdo de vazios e à distribuição do enchimento. Uma amostra de produção com 5% de conteúdo vazio e re{3}}dispersão incompleta do enchimento devido à pré{4}}mistura inadequada pode medir 0,8–1,0 W/m·K em vez de 1,5 W/m·K. A medição periódica da condutividade térmica em amostras representativas da produção-é a abordagem de verificação correta, e não depende apenas dos valores TDS.
A Tg do composto de envasamento afeta sua condutividade térmica durante a operação?
A condutividade térmica em sistemas altamente preenchidos é menos sensível à transição de Tg do que às propriedades mecânicas. A principal preocupação acima de Tg é a estabilidade dimensional e a fluência - o composto amolece, o CTE aumenta aproximadamente 2–3× e a carga sustentada causa fluência na interface do componente de encapsulamento-. A condutividade térmica não cai drasticamente em Tg para um sistema fortemente preenchido porque as partículas de enchimento (que transportam a maior parte do calor) permanecem no lugar. A preocupação com Tg em uma aplicação carregada termicamente é mecânica, não relacionada à condutividade-térmica.
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