Abbildung 1.Wärmekameraaufnahmen von vergossenen Leistungsmodulen mit dickem Querschnitt zeigen häufig, dass die Vergussschicht der dominierende Wärmewiderstand ist, eine Variable, die in den meisten anfänglichen Wärmemodellen fehlt.
Das thermische Modell zeigte eine Sperrschichttemperatur von 95 Grad unter Volllast. Die Montage läuft bei 118 Grad. Komponentenrücksendungen beginnen nach 14 Monaten - Drift des IGBT-Gate-Schwellenwerts, Ausfall des Elektrolytkondensators, Ermüdung der Lötstelle konzentriert sich auf die Zone mit hoher -Verlustleistung. Das Ingenieurteam untersucht die Komponentenqualität. Das Kupfergewicht der Leiterplatte. Der Kontaktwiderstand des Kühlkörpers. Niemand öffnet das thermische Modell und fügt eine Zeile für die Epoxidharz-Vergussmasse zwischen der Komponente und der Gehäusewand hinzu. Wäre dieser Posten einbezogen worden, hätte er einen Wärmewiderstandsbeitrag von 0,04–0,06 K/W pro cm² bei Standardvergussdicke - gezeigt, was ausreichte, um den größten Teil der Diskrepanz zwischen Modell und Messung zu erklären.
Herkömmliche Epoxidharz-Vergussmassen mit 0,5 W/m·K sind in dickwandigen Ausführungen nicht thermisch neutral. Sie sind Wärmeisolatoren mit flammhemmender Funktion. Sie in einem thermischen Modell der Leistungselektronik als thermisch transparent zu behandeln, ist die Ursache und nicht das Symptom des Problems der Sperrschichttemperatur.
Der thermische Widerstand einer Vergussschicht: Eine quantitative Bewertung
Der Wärmewiderstand durch eine planare Schicht wird als R=t / (k × A) berechnet, wobei t die Schichtdicke, k die Wärmeleitfähigkeit und A die Querschnittsfläche ist. Für eine Standardvergussmasse bei k=0.5 W/m·K:
Bei 10 mm Dicke, 1 cm² Fläche: R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
Bei 15 mm Dicke, 1 cm² Fläche: R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
Bei 20 mm Dicke, 1 cm² Fläche: R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Das sind keine vernachlässigbaren Werte. Ein Leistungsmodul, das 5 W über einen 15 mm × 1 cm² großen Vergussabschnitt ableitet, erfährt einen Temperaturanstieg von 1,5 Grad über den Verguss bei 0,5 W/m·K -, was klein klingt, bis die Querschnittsfläche 2 cm² beträgt, die Verlustleistung 20 W beträgt und der Hot Spot konzentriert ist. Bei dichten Leistungsmodullayouts, bei denen sich mehrere ableitende Komponenten ein vergossenes Volumen teilen, trägt der kumulative Wärmewiderstand der Vergussschicht bei Designs, bei denen dieser Beitrag nicht modelliert wurde, 15–30 Grad zum Übergangs--zu-Umgebungsbudget bei.
Bei k=1.5 W/m·K erzeugt die gleiche Geometrie ein-Drittel des Wärmewiderstands. Ob diese Reduzierung sinnvoll ist, hängt von den anderen Widerständen im Wärmepfad ab. - Wenn der Übergang-zum-Gehäusewiderstand der Komponente dominiert, bringt eine Verbesserung der Vergussmasse kaum Vorteile. Der Wärmewiderstand der Vergussschicht ist am folgenreichsten, wenn er der dominierende Faktor im Pfad ist, was bei Konstruktionen mit dickem Querschnitt und Kühlpfaden mit relativ niedrigem Widerstand auf der Außenfläche der Fall ist.
Abbildung 2.Bei einem 15 mm dicken Vergussabschnitt verringert der Wechsel von 0,5 W/m·K auf 1,5 W/m·K den Wärmewiderstand der Vergussschicht um etwa zwei-Drittel. Ob diese Reduzierung signifikant ist, hängt von der relativen Größe anderer Widerstände im Wärmepfad ab.
Wo der Wärmewiderstand des dicken-Vergusses dominiert
Nicht jede vergossene Baugruppe reagiert empfindlich auf die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse. Die folgenden Designbedingungen identifizieren Fälle, in denen die Vergussschicht wahrscheinlich einen dominanten Wärmewiderstand darstellt:
Dicke des Vergussabschnitts über 8–10 mm.Unterhalb dieses Bereichs ist der absolute Wärmewiderstand der Vergussschicht im Vergleich zu anderen Widerständen im Pfad typischerweise gering. Oberhalb dieses Bereichs, insbesondere wenn die Kühlfläche die äußere Gehäusewand ist, wird häufig die Vergussschicht zum dominierenden Begriff.
Verlustleistungsdichte über 1 W/cm² innerhalb des vergossenen Volumens.Bei geringer Verlustdichte bleibt der Temperaturunterschied über die Vergussschicht selbst bei 0,5 W/m·K innerhalb akzeptabler Grenzen. Mit zunehmender Leistungsdichte führt der gleiche Wärmewiderstand zu proportional größeren Temperaturunterschieden.
Kühlpfadtopologie, bei der die Wärme durch die Vergussschicht geleitet werden muss, um die Kühloberfläche zu erreichen.Bei Baugruppen, bei denen ein Kühlkörper oder eine Gehäusewand der primäre Kühlpfad ist und das vergossene Volumen die Komponente von dieser Oberfläche trennt, gibt es keinen Bypass-Pfad. - 100 % der Verlustwärme der Komponente müssen durch den Verguss geleitet werden. Bei Baugruppen, bei denen die Komponente über Leitungen, eine Leiterplatten-Kupferebene oder direkten Kontakt mit dem Gehäuse gekühlt werden kann, wird der Vergussbeitrag reduziert.
Dauerbetriebanwendungen ohne thermische Zyklenentlastung.Eine Komponente, die ständig nahe ihrer Sperrschichttemperaturgrenze läuft, akkumuliert die Verschlechterung linear. Eine Reduzierung der Sperrschichttemperatur um 15 Grad -, die durch die Wahl der Vergussmasse in einigen Geometrien erreichbar ist -, kann die Lebensdauer der Komponenten unter der Verschlechterung des Arrhenius-Modells- verdoppeln.
Warum die Wärmeleitfähigkeit von Standard-Epoxidharz niedrig ist und was sie erhöht
Ungefüllte und leicht gefüllte Epoxidharze haben eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,15–0,25 W/m·K. Dies liegt an der vernetzten Polymermatrix -. Polymerketten sind schlechte Wärmeleiter, da die Wärmeübertragung in amorphen Polymeren hauptsächlich durch Vibrationsenergieübertragung entlang der Ketten erfolgt, was im Vergleich zu kristallinen Materialien ineffizient ist. Die für standardmäßige flammhemmende Epoxidharz-Vergussmassen typischen Werte von 0,5–0,7 W/m·K stellen einen gewissen Füllstoffgehalt - dar, in der Regel dieselben anorganischen Füllstoffe, die zur flammhemmenden Funktion beitragen -, jedoch bei Füllstoffmengen, die für die Verarbeitbarkeit und Flammleistung und nicht für die Wärmeleitfähigkeit optimiert sind.
Um 1,5 W/m·K zu erreichen, ist eine deutlich höhere Füllstoffbeladung mit wärmeleitenden anorganischen Partikeln - erforderlich, typischerweise Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid oder Bornitrid bei Volumenanteilen über 50 %. Der Nachteil ist ein steiler Anstieg der Viskosität der Basiskomponente: Eine Formulierung mit 1,5 W/m·K hat typischerweise eine Basisviskosität im Bereich von 500.000–1.500.000 cps bei 25 Grad, verglichen mit 4.000–10.000 cps für ein Standard-Flammschutzsystem. Dieser Viskositätsbereich erfordert mechanisches Vormischen und vorzugsweise eine Heißdosierung bei 50 Grad, um eine hohlraumfreie Füllung in begrenzten Vergusshohlräumen zu erreichen. Die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit ist real, geht jedoch mit einer Anforderung an die Prozessdisziplin einher, die beim Standard-Epoxidverguss nicht vorhanden ist.
Ein kritischer, aber häufig übersehener Punkt:Die Wärmeleitfähigkeit eines hochgefüllten Systems wird nur dann erreicht, wenn der Füllstoff gleichmäßig im ausgehärteten Bereich verteilt ist.Das Absetzen des Füllstoffs in der Basiskomponente während der Lagerung -, was in Systemen mit Partikeldichten deutlich über dem Harzträger - von Bedeutung ist, führt zu einem ausgehärteten Abschnitt mit variabler Füllstoffverteilung und damit variabler Wärmeleitfähigkeit. Die an einer Stelle des ausgehärteten Teils gemessene Wärmeleitfähigkeit stellt möglicherweise nicht den Massendurchschnitt dar und stellt auch nicht Abschnitte dar, in denen das an Füllstoff-verarmte Obermaterial gegossen wurde. Hierbei handelt es sich nicht um einen Materialmangel - sondern um einen Handhabungsmangel. Das Vormischen der Basiskomponente in ihrem Originalbehälter vor dem Wiegen ist bei Systemen mit hohem Füllstoffgehalt nicht optional.
Abbildung 3.Das Absetzen des Füllstoffs in der E533-Basiskomponente ist während der Lagerung so stark, dass es zu einer messbaren Ungleichmäßigkeit der ausgehärteten Wärmeleitfähigkeit kommt, wenn der Behälter vor dem Wiegen nicht erneut mechanisch gemischt wird.
Das Hohlraumproblem: Warum die Entgasung in wärmeleitenden Systemen wichtiger ist
In einer Standard-Epoxidharz-Vergussmasse mit 0,5 W/m·K reduzieren eingeschlossene Hohlräume die lokale Durchschlagsfestigkeit und erzeugen Spannungskonzentrationsstellen. In einer wärmeleitenden Masse, die Wärme leiten soll, haben Hohlräume eine zusätzliche und schwerwiegendere Konsequenz: Sie sind Wärmeisolatoren, die in eine wärmeleitende Matrix eingebettet sind.
Die Wärmeleitfähigkeit von Luft bei Umgebungsbedingungen beträgt etwa 0,026 W/m·K -, etwa 1/58 der umgebenden 1,5 W/m·K-Matrix. Ein kugelförmiger Hohlraum in einer wärmeleitenden Matrix erzeugt einen lokalen Wärmewiderstand, der um Größenordnungen höher ist als der des umgebenden Materials. Bei einem Leistungsmodul mit dickem --Abschnitt, bei dem die Konstruktionsabsicht darin besteht, Wärme durch den Verguss zur Gehäusewand zu leiten, kann eine Ansammlung von Hohlräumen an einer kritischen Stelle einen lokalen thermischen Engpass erzeugen, der den Zweck der Spezifikation der Verbindung mit höherer -Leitfähigkeit zunichte macht.
Daher ist die Vakuumentgasung in wärmeleitenden Systemen von größerer Bedeutung als in Standardsystemen. Das Argument für die Entgasung eines Standardsystems ist in erster Linie, dass dielektrische - Hohlräume die effektive Durchschlagsfestigkeit verringern. Das Argument für die Entgasung eines wärmeleitenden Systems ist sowohl dielektrischer als auch thermischer Natur. Ob eine bestimmte Anwendung eine Entgasung erfordert, hängt von der Hohlraumgeometrie und dem Hohlraumgehalt ab, der durch sorgfältiges Dosieren erreicht werden kann. Bei vergossenen Modulen mit hoher-Leistung-dichte kann jedoch davon ausgegangen werden, dass eine Entgasung erforderlich ist, es sei denn, die Qualität der Hohlraumfüllung wurde an repräsentativen Proben validiert.
Glasübergangstemperatur und ihre Beziehung zur thermischen Leistung
Eine wärmeleitende Vergussmasse wird per Definition in einer heißen Umgebung verwendet -, das ist die Anwendungsbedingung, die die Auswahl motiviert hat. Die Glasübergangstemperatur (Tg) des ausgehärteten Systems bestimmt, bei welcher Temperatur sich die mechanische Form des Vergusses zu ändern beginnt. Unterhalb von Tg ist die Verbindung glasig, starr und formstabil. Oberhalb der Tg geht das Polymernetzwerk in einen gummiartigen Zustand mit deutlich verringertem Modul und schnell ansteigendem CTE über.
Für eine vergossene Leistungsbaugruppe, die bei erhöhter Temperatur betrieben wird, legt die Tg der Verbindung die Obergrenze der zuverlässigen Dimensionsstabilität - fest, nicht das Dauerbetriebstemperaturmaximum, das einen thermischen Spielraum unter Tg erfordert. Wenn die Kerntemperatur des Vergussabschnitts während des normalen Betriebs Tg erreicht oder überschreitet, kriecht die Verbindung unter der Last ihrer eigenen Wärmeausdehnung und kann möglicherweise zu Rissen in der Schnittstelle zu eingebetteten Komponenten oder zum Gehäuse führen.
Dies bedeutet, dass die Tg-Anforderung für eine wärmeleitende Verbindung durch die Ausgabe des thermischen Modells - bestimmt wird, insbesondere durch die vorhergesagte Kerntemperatur des vergossenen Abschnitts bei maximaler Dauerlast - und nicht durch die Umgebungstemperatur des Gehäuses. In einem dichten Leistungsmodul, bei dem die Vergussschicht die Sperrschichttemperatur senkt, der Kern der vergossenen Masse jedoch immer noch 110 Grad erreicht, ist eine Verbindung mit einer Tg von 127 Grad (mit einer Betriebsspanne von ~17 Grad) sinnvoll. Eine Verbindung mit einer Tg von 70 Grad würde unter diesen Bedingungen beginnen, an Dimensionsstabilität zu verlieren.
Was ein richtiges thermisches Modell für vergossene Baugruppen beinhalten sollte
Ein thermisches Modell für eine vergossene Leistungsbaugruppe, das den Wärmewiderstand der Vergussmasse ausschließt, wird die Sperrschichttemperatur systematisch unterschätzen. Der richtige Ansatz umfasst:
Der Wärmewiderstand der Verbindung-zum-Gehäuse jeder ableitenden Komponente (aus dem Datenblatt der Komponente).
Der Kontaktwiderstand zwischen dem Bauteilpaket und der umgebenden Vergussmasse (abhängig von Benetzung und Hohlraumgehalt an der Grenzfläche).
Der thermische Gesamtwiderstand der Vergussschicht von der Komponentenoberfläche bis zur ersten Kühlgrenze (Gehäusewand, Kühlkörper oder PCB-Kupferebene).
Der Kontakt- oder Grenzflächenwiderstand zwischen dem Verguss und der Kühlgrenze.
Der Wärmewiderstand der Kühlgrenze selbst (Wandstärke und Material des Gehäuses, Effizienz des Kühlkörpers).
Bei Baugruppen, bei denen der Wärmewiderstand der Vergussmasse der vorherrschende Begriff ist -, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Entfernen aus dem Modell zu einer Verbindungstemperatur führt, die wesentlich unter dem gemessenen Wert liegt -, wirkt sich die Auswahl der Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse direkt auf das thermische Design aus. Dies ist die Bedingung, bei der die Angabe von 1,5 W/m·K gegenüber 0,5 W/m·K einen bedeutenden Unterschied in der Systemzuverlässigkeit ergibt.
Wenn thermisch leitfähiger Verguss das Problem nicht löst
Die Angabe einer Vergussmasse mit 1,5 W/m·K löst das Problem der Übertemperatur der Verbindungsstelle nicht, wenn:
Der Komponentenübergang-zu-Gehäusewiderstand ist der vorherrschende Begriff.Wenn das Bauteil selbst den thermischen Engpass darstellt, hat eine Verbesserung der Leitfähigkeit der Vergussmasse nur einen marginalen Effekt. Vor einem Materialwechsel muss das vollständige thermische Modell analysiert werden, um zu ermitteln, welcher Widerstand dominant ist.
Der Vergussbereich ist dünn (unter 5 mm).Bei geringer Dicke ist der absolute Wärmewiderstand der Vergussschicht unabhängig von der Leitfähigkeit gering. Die Angabe von 1,5 W/m·K für eine 5 mm dicke Vergussschicht erhöht die Prozesskomplexität ohne nennenswerten thermischen Nutzen.
Der Kühlweg zwischen der Außenfläche des Vergusses und der Umgebung ist der begrenzende Widerstand.Wenn die natürliche Konvektion von der Gehäuseoberfläche der thermische Engpass ist, verschiebt die Reduzierung des Widerstands der Vergussschicht den Engpass einen Schritt nach außen -, die Sperrschichttemperatur wird jedoch nicht proportional reduziert.
Die Hohlräume und die Füllstoffverteilung werden nicht kontrolliert.Eine wärmeleitende Verbindung mit einem Hohlraumgehalt von 10–15 % ist möglicherweise nicht besser als eine Standardverbindung ohne Hohlräume, da die Hohlräume lokale Wärmewiderstände erzeugen, die über die Verbesserung der Gesamtleitfähigkeit hinausgehen.
Verwandtes Produkt für das Wärmemanagement im Dickschichtverguss
E533/H533 ist eine stark gefüllte Zweikomponenten-Epoxidharz-Vergussmasse mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,5 W/m·K und einem Tg von 127 Grad. Es erfordert eine zweistufige Wärmehärtung (80 Grad × 2 Stunden + 120 Grad × 4 Stunden), um seine Nenneigenschaften zu entwickeln. Die Basiskomponente (E533) hat eine Viskosität von 500.000–1.500.000 cps bei 25 Grad - mechanisches Vormischen und erhitztes Dosieren bei 50 Grad (wobei die Mischviskosität auf 700–1.500 cps sinkt) sind für eine gleichmäßige Eigenschaftsentwicklung und eine hohlraumfreie Füllung erforderlich.
Der UL 94 V-0-Zertifizierungsstatus gemäß Datei E120665 (gelistet als E-53(Y)/H-53(Y)) sollte vor der Spezifikation von Fong Yong Chemical bestätigt werden, da der Folgeteststatus ab Dezember 2025 eine Überprüfung erfordert. Ingenieure, die eine derzeit aktive UL-Zertifizierung benötigen, sollten den Zeitplan für die Wiedereinführung bestätigen, bevor sie E533/H533 in ein UL-gelistetes Endprodukt integrieren.
👉 🔗 E533/H533 Produktseite - Technische Daten, Wärmeleitfähigkeit, Anwendungshinweise
Wichtige technische Fragen
Ab welcher Vergussdicke spielt die Spezifikation der Wärmeleitfähigkeit eine Rolle?
Als grober Richtwert gilt, dass der Wärmewiderstand der Vergussschicht im Vergleich zu anderen Wärmewiderständen im Pfad signifikant wird, wenn der vergossene Abschnitt etwa 8–10 mm überschreitet und die Verlustleistungsdichte 1 W/cm² übersteigt. Unterhalb dieser Schwellenwerte ist der absolute Widerstand der Vergussschicht typischerweise nicht der dominierende Faktor, und eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von 0,5 auf 1,5 W/m·K führt zu einer Verbesserung der Sperrschichttemperatur um weniger als 5 Grad. Dies sollte bestätigt werden, indem die Zahlen in einem vollständigen thermischen Modell für die spezifische Geometrie analysiert werden, bevor eine Entscheidung über einen Materialwechsel getroffen wird.
Kann die Wärmeleitfähigkeit an Produktionsproben gemessen werden, um zu überprüfen, ob die Verbindung die spezifizierte Leistung erbringt?
Ja, aber die Messung sollte an ausgehärteten Proben durchgeführt werden, die bei Produktionschargengröße und Entgasungsbedingungen hergestellt wurden, und nicht an Laborproben, die unter idealen Bedingungen hergestellt wurden. Die Wärmeleitfähigkeit in hochgefüllten Systemen hängt empfindlich vom Hohlraumgehalt und der Füllstoffverteilung ab. Eine Produktionsprobe mit 5 % Hohlraumgehalt und unvollständiger Füllstoffre-dispergierung aufgrund unzureichender Vor-mischung kann 0,8–1,0 W/m·K anstelle von 1,5 W/m·K messen. Die regelmäßige Messung der Wärmeleitfähigkeit an produktionsrepräsentativen Proben ist der richtige Verifizierungsansatz und nicht die alleinige Abhängigkeit von TDS-Werten.
Beeinflusst die Tg der Vergussmasse deren Wärmeleitfähigkeit im Betrieb?
Die Wärmeleitfähigkeit in hochgefüllten Systemen reagiert weniger empfindlich auf den Tg-Übergang als die mechanischen Eigenschaften. Oberhalb von Tg geht es in erster Linie um Dimensionsstabilität und Kriechen. - Die Verbindung wird weicher, der CTE erhöht sich um etwa das Zwei- bis Dreifache, und eine anhaltende Belastung führt zu Kriechen an der Grenzfläche der Vergussmasse-. Bei einem stark gefüllten System sinkt die Wärmeleitfähigkeit bei Tg nicht dramatisch, da die Füllstoffpartikel (die den größten Teil der Wärme transportieren) an Ort und Stelle bleiben. Das Tg-Problem bei einer thermisch belasteten Anwendung ist mechanisch und nicht auf die Wärmeleitfähigkeit zurückzuführen.
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