그림 1.두꺼운 -섹션의 포팅된 전원 모듈에 대한 열화상 카메라 영상에서는 대부분의 초기 열 모델에는 없는 변수인 주요 열 저항-으로 포팅 층이 나타나는 경우가 많습니다.
열 모델은 최대 부하 시 접합 온도가 95도인 것으로 나타났습니다. 어셈블리는 118도에서 실행됩니다. 부품 반품은 14개월부터 시작됩니다. - IGBT 게이트 임계값 드리프트, 전해 커패시터 고장, 높은-소산 영역 주변에 집중된 솔더 조인트 피로. 엔지니어링 팀은 부품 품질을 조사합니다. PCB 구리 무게. 방열판 접촉 저항입니다. 아무도 열 모델을 열지 않고 구성 요소와 인클로저 벽 사이에 에폭시 포팅 화합물에 대한 라인 항목을 추가하지 않습니다. 해당 품목이 포함되었다면 표준 포팅 두께-에서 cm²당 0.04~0.06K/W의 열 저항 기여도를 나타내어 모델과 측정 간의 대부분의 불일치를 설명할 수 있었을 것입니다.
0.5W/m·K의 표준 에폭시 포팅 화합물은 두꺼운-섹션 설계에서 열적으로 중성이 아닙니다. 난연성-기능을 갖춘 단열재입니다. 전력 전자 열 모델에서 이를 열적으로 투명하게 처리하는 것은 접합 온도 문제의 증상이 아니라 원인입니다.
포팅층의 열 저항: 정량적 평가
평면 레이어를 통한 열 저항은 R=t / (k × A)로 계산됩니다. 여기서 t는 레이어 두께, k는 열 전도성, A는 단면적입니다-. k=0.5 W/m·K의 표준 포팅 화합물의 경우:
두께 10mm, 면적 1cm² 기준: R=0.010 / (0.5 × 0.0001)=0.20 K/W
15mm 두께, 1cm² 면적: R=0.015 / (0.5 × 0.0001)=0.30 K/W
두께 20mm, 면적 1cm² 기준: R=0.020 / (0.5 × 0.0001)=0.40 K/W
이는 무시할 수 있는 값이 아닙니다. 15mm × 1cm² 포팅 섹션을 통해 5W를 소비하는 전력 모듈은 0.5W/m·K-에서 포팅 전체에 걸쳐 1.5도의 온도 상승을 경험합니다. 이는 단면적이 2cm²가 될 때까지 작은 소리로 들리며-방산은 20W이고 핫스팟은 집중됩니다. 여러 소산 구성요소가 화분 볼륨을 공유하는 고밀도 전력 모듈 레이아웃에서, 화분 레이어의 누적 열 저항은 이 기여도가 모델링되지 않은 설계에서 주변 예산에 대한 접합-에-15~30도 기여합니다.
k=1.5 W/m·K에서 동일한 형상은 열 저항을 1/3- 생성합니다. 감소가 의미가 있는지 여부는 열 경로의 다른 저항이 무엇인지에 따라 달라집니다. 포팅층 열 저항은 경로에서 지배적인 항일 때 가장 중요하며, 이는 외부 표면의 상대적으로 낮은 저항 냉각 경로가 있는 두꺼운-섹션 설계에서 발생합니다.
그림 2.15mm 두께의 포팅 섹션에서 0.5W/m·K에서 1.5W/m·K로 전환하면 포팅층의 열 저항이 약 2/3- 감소합니다. 이러한 감소가 중요한지 여부는 열 경로에 있는 다른 저항의 상대적 크기에 따라 달라집니다.
두꺼운-섹션 포팅 열 저항이 지배적인 경우
모든 포팅된 어셈블리가 포팅 화합물의 열전도율에 민감한 것은 아닙니다. 다음 설계 조건은 포팅층이 지배적인 열 저항이 될 가능성이 있는 경우를 식별합니다.
포팅 섹션 두께가 8-10mm 이상입니다.이 범위 아래에서는 포팅층의 절대 열 저항이 경로의 다른 저항에 비해 일반적으로 작습니다. 이 범위 이상에서는 특히 냉각 표면이 외부 인클로저 벽인 경우 포팅 층이 지배적인 용어가 되는 경우가 많습니다.
화분 부피 내에서 전력 손실 밀도가 1W/cm² 이상입니다.낮은 소산 밀도에서 포팅층 전체의 온도 차이는 0.5W/m·K에서도 허용 가능한 한계 내에 유지됩니다. 전력 밀도가 증가하면 동일한 열 저항이 비례적으로 더 큰 온도 차이를 생성합니다.
열이 포팅 층을 통해 전도되어 냉각 표면에 도달해야 하는 냉각 경로 토폴로지입니다.방열판 또는 인클로저 벽이 기본 냉각 경로이고 포팅된 볼륨이 구성 요소를 해당 표면에서 분리하는 어셈블리에는 구성 요소의 소산된 열 중 - 100%가 포팅을 통해 전도되어야 하는 우회 경로가 없습니다. 리드, PCB 구리 평면 또는 하우징과의 직접 접촉을 통해 구성 요소를 냉각할 수 있는 어셈블리에서는 포팅 기여가 줄어듭니다.
열 순환 완화가 없는 연속 사용 애플리케이션입니다.접합 온도 한계 근처에서 지속적으로 작동하는 구성 요소는 성능 저하를 선형적으로 축적합니다. 일부 기하학적 구조에서 포팅 화합물 선택을 통해 달성 가능한 접합 온도 -의 15도 감소는 - Arrhenius-모델 저하 하에서 구성 요소 서비스 수명을 두 배로 늘릴 수 있습니다.
표준 에폭시 열전도율이 낮은 이유와 이를 높이는 요인
충전되지 않은 에폭시 수지는 살짝 충전된 에폭시 수지는 0.15~0.25 W/m·K 범위의 열전도도를 갖습니다. 이는 교차결합된 폴리머 매트릭스에 내재된 것입니다. - 폴리머 체인은 열 전도율이 낮습니다. 왜냐하면 비정질 폴리머의 열 전달은 주로 체인을 따른 진동 에너지 전달을 통해 이루어지기 때문입니다. 이는 결정질 재료에 비해 비효율적입니다. 표준 난연성 에폭시 포팅 컴파운드의 일반적인 0.5~0.7W/m·K 값은 일부 필러 함량을 나타냅니다. - 일반적으로 난연성 기능에 기여하는 동일한 무기 필러와 동일하지만 - 열전도율이 아닌 가공성과 화염 성능에 최적화된 필러 로딩량입니다.
1.5 W/m·K에 도달하려면 열 전도성 무기 입자(-)가 일반적으로 50% 이상의 부피 비율로 수산화알루미나, 알루미나 또는 질화붕소를 포함하는 훨씬 더 높은 필러 로딩이 필요합니다. 그 대신-기본 성분 점도가 급격히 증가합니다. 1.5W/m·K를 전달하는 제제는 일반적으로 표준 난연제 시스템의 기본 점도가 4,000~10,000cps인 데 비해 25도에서 500,000~1,500,000cps 범위의 기본 점도를 갖습니다.{16}} 이 점도 범위에는 기계적 사전 혼합이 필요하며, 밀폐된 포팅 공동에 공극 없는 충전을 달성하려면 50도에서 가열하는 것이 좋습니다.{20}} 열전도도 증가는 실제적이지만 표준 에폭시 포팅에는 없는 공정 규율 요구 사항이 따릅니다.
중요하지만 자주 간과되는 점:고충진 시스템의 열전도율은 필러가 경화된 부분에 균일하게 분포된 경우에만 달성됩니다.수지 캐리어 -보다 실질적으로 높은 입자 밀도를 갖는 시스템에서 중요한 저장 중 기본 구성요소에 충전제 침전 -은 다양한 충전제 분포와 그에 따른 가변적인 열전도도를 갖는 경화된 단면을 생성합니다. 경화된 부분의 한 위치에서 측정된 열전도율은 벌크 평균을 나타내지 않을 수 있으며, 필러-가 고갈된 상부 재료가 부어진 부분을 나타내지 않습니다. 이는 중대한 결함이 아닙니다. - 취급 결함입니다. 중량을 측정하기 전에 원래 용기에 기본 성분을 사전 혼합하는 것은-충진량이 높은 시스템에서는 선택 사항이 아닙니다.
그림 3.E533 기본 구성 요소에 충전재가 침전되는 것은 보관 중에 용기가 계량 전에 기계적으로 재혼합되지 않는 경우 경화된 열전도율에서 측정 가능한 비{1}}불균일성을 생성할 만큼 충분히 중요합니다.-
공극 문제: 열 전도성 시스템에서 탈기가 더 중요한 이유
표준 0.5W/m·K 에폭시 포팅 화합물에서 갇힌 공극은 국부적인 유전 강도를 감소시키고 응력 집중 지점을 생성합니다. 열을 전도하도록 설계된 열 전도성 화합물에서 보이드는 더욱 심각한 결과를 낳습니다. 즉, 열 전도성 매트릭스에 내장된 단열재입니다.
주변 조건에서 공기의 열전도도는 약 0.026W/m·K({1}})이며 주변 1.5W/m·K 매트릭스의 약 1/58입니다. 열 전도성 매트릭스의 구형 공극은 주변 재료보다 훨씬 더 높은 국지적 열 저항을 생성합니다. 포팅을 통해 인클로저 벽으로 열을 전달하려는 설계 의도가 있는 두꺼운- 섹션 전력 모듈에서 중요한 위치에 있는 보이드 클러스터는 더 높은 전도성 화합물을 지정하려는 목적을 무산시키는 국부적 열 병목 현상을 생성할 수 있습니다.-
따라서 진공 탈기는 표준 시스템보다 열 전도성 시스템에서 더 중요합니다. 표준 시스템의 가스 제거에 대한 주장은 주로 유전체 - 공극이 유효 유전체 강도를 감소시킨다는 것입니다. 열 전도성 시스템의 가스 제거에 대한 주장은 유전체와 열 모두입니다. 해당 응용 분야에 탈기가 필요한지 여부는 캐비티 형상과 신중한 분배를 통해 달성할 수 있는 보이드 함량에 따라 다르지만, 고용량-전력-밀도 포팅 모듈에서는 캐비티 충진 품질이 대표 표본에서 검증되지 않는 한 탈기가 필요하다고 안전하게 가정합니다.
유리 전이 온도와 열 성능과의 관계
열 전도성 포팅 컴파운드는 선택 동기가 된 적용 조건인 - 정의에 따라 뜨거운 환경에서 사용되고 있습니다. 경화된 시스템의 유리 전이 온도(Tg)는 포팅의 기계적 형태가 변하기 시작하는 온도를 결정합니다. Tg 이하에서는 화합물이 유리질이고 단단하며 치수적으로 안정적입니다. Tg 이상에서 폴리머 네트워크는 탄성률이 크게 감소하고 CTE가 빠르게 증가하는 고무 상태로 전환됩니다.
높은 온도에서 작동하는 화분형 동력 조립체의 경우, 화합물의 Tg는 Tg 미만의 열 마진을 요구하는 연속 서비스 온도 최대치가 아닌 신뢰할 수 있는 치수 안정성의 상한선 -을 설정합니다. 정상 작동 중에 포팅 섹션 코어 온도가 Tg에 접근하거나 Tg를 초과하는 경우, 화합물은 자체 열팽창 부하로 인해 크리프되어 내장된 구성 요소 또는 인클로저와의 인터페이스에 균열이 생길 수 있습니다.
이는 열 전도성 화합물에 대한 Tg 요구 사항이 열 모델 출력 -, 특히 인클로저의 주변 온도가 아닌 최대 연속 부하에서 포팅된 섹션의 예상 코어 온도 -에 의해 결정됨을 의미합니다. 포팅 층이 접합 온도를 감소시키지만 포팅된 질량의 코어가 여전히 110도에 도달하는 고밀도 전력 모듈에서 Tg가 127도(작동 마진 ~17도)인 화합물이 의미가 있습니다. Tg가 70도인 화합물은 이러한 조건에서 치수 안정성을 잃기 시작합니다.
화분에 담긴 조립품에 적합한 열 모델에 포함되어야 하는 것
포팅 복합 열 저항을 제외하는 포팅된 전력 어셈블리의 열 모델은 체계적으로 접합 온도를 과소 예측합니다. 올바른 접근 방식에는 다음이 포함됩니다.
각 소산 구성요소의 케이스-접합부 열 저항(구성요소 데이터시트 참조)
부품 패키지와 주변 포팅 화합물 사이의 접촉 저항(인터페이스의 습윤 및 공극 함량에 따라 다름)
구성 요소 표면에서 첫 번째 냉각 경계(인클로저 벽, 방열판 또는 PCB 구리 평면)까지 포팅 층의 벌크 열 저항입니다.
포팅과 냉각 경계 사이의 접촉 또는 계면 저항입니다.
냉각 경계 자체의 열 저항(인클로저 벽 두께 및 재질, 방열판 효율성)
포팅 층 열 저항이 지배적인 용어인 어셈블리에서 - 이를 모델에서 제거하면 측정된 값보다 실질적으로 낮은 접합 온도가 생성된다는 사실로 식별됩니다. - 포팅 화합물 열 전도성의 선택은 열 설계에 직접적인 영향을 미칩니다. 이는 1.5W/m·K와 0.5W/m·K를 지정하면 시스템 신뢰성에 의미 있는 차이가 발생하는 조건입니다.
열 전도성 포팅으로 문제가 해결되지 않는 경우
다음과 같은 경우에는 1.5W/m·K 포팅 화합물을 지정해도 접합부 과열 문제가 해결되지 않습니다.
구성요소 접합-대-대소문자 저항이 지배적인 용어입니다.부품 자체가 열 병목 현상을 일으키는 경우 포팅 화합물의 전도성을 개선해도 효과가 미미합니다. 재료를 변경하기 전에 어떤 저항이 지배적인지 확인하려면 전체 열 모델을 분석해야 합니다.
포팅 단면이 얇습니다(5mm 이하).얇은 두께에서는 전도성에 관계없이 포팅층의 절대 열저항이 작습니다. 5mm 포팅층을 처리하기 위해 1.5W/m·K를 지정하면 의미 있는 열적 이점 없이 공정이 복잡해집니다.
포팅 외부 표면과 주변 사이의 냉각 경로는 제한 저항입니다.인클로저 표면의 자연 대류가 열 병목 현상인 경우 포팅 층 저항을 줄이면 병목 현상이 한 단계 바깥쪽으로 이동합니다. - 이에 비례하여 접합 온도가 감소하지 않습니다.
보이드 및 필러 분포는 제어되지 않습니다.공극 함량이 10~15%인 열 전도성 화합물은 공극이 없는 표준 화합물보다 더 나은 성능을 발휘하지 못할 수 있습니다. 왜냐하면 공극이 벌크 전도성 향상을 초과하는 국부적 열 저항을 생성하기 때문입니다.
두꺼운-섹션 포팅의 열 관리 관련 제품
E533/H533은 1.5W/m·K 열전도도와 Tg 127도를 제공하는 고충진 2{2}}성분 에폭시 포팅 컴파운드입니다. 정격 특성을 개발하려면 2{6}}단계 열경화(80도 × 2시간 + 120도 × 4시간)가 필요합니다. 기본 구성 요소(E533)의 점도는 25도에서 500,000~1,500,000cps입니다. - 기계적 사전 혼합과 50도에서의 가열 분배(혼합 점도가 700~1,500cps로 떨어지는 경우)는 일관된 특성 개발과 공극 없는 충전을 위해 필요합니다.{25}}
File E120665(E-53(Y)/H-53(Y)로 표시됨)에 따른 UL 94 V{5}}0 인증 상태는 2025년 12월 현재 후속 테스트 상태에 대한 확인이 필요하므로 사양 전에 Fong Yong Chemical의 확인을 받아야 합니다. 현재 활성화된 UL 인증이 필요한 엔지니어는 UL 등록 최종 제품에 E533/H533을 포함하기 전에 복원 일정을 확인해야 합니다.
👉 🔗 E533/H533 제품 페이지 - 기술 데이터, 열 전도성, 애플리케이션 노트
주요 엔지니어링 질문
열전도도 사양은 어떤 포팅 두께에서 중요해지기 시작합니까?
대략적인 지침에 따르면, 포팅된 부분이 약 8~10mm를 초과하고 전력 손실 밀도가 1W/cm²를 초과하는 경우 포팅 레이어 열 저항은 경로의 다른 열 저항에 비해 중요해집니다. 이러한 임계값 아래에서는 포팅층의 절대 저항이 일반적으로 지배적인 항이 아니며 열 전도도를 0.5W/m·K에서 1.5W/m·K로 높이면 접합 온도가 5도 미만으로 향상됩니다. 이는 재료 변경 결정을 내리기 전에 특정 형상에 대한 전체 열 모델에서 숫자를 실행하여 확인해야 합니다.
화합물이 지정된 대로 성능을 발휘하는지 확인하기 위해 생산 표본의 열전도율을 측정할 수 있습니까?
예, 하지만 측정은 이상적인 조건에서 준비된 실험실 표본이 아닌 생산 배치 크기 및 탈기 조건에서 만들어진 경화된 표본에서 수행되어야 합니다. 고충진 시스템의 열전도율은 공극 함량 및 필러 분포에 민감합니다. 공극 함량이 5%이고 부적절한 사전 혼합으로 인한 불완전한 필러 재분산-이 있는 생산 시편은 1.5W/m·K가 아닌 0.8~1.0W/m·K를 측정할 수 있습니다. 생산-대표 시편에 대한 주기적인 열전도도 측정은 TDS 값에만 의존하는 것이 아니라 올바른 검증 접근 방식입니다.
포팅 화합물의 Tg가 작동 중 열전도율에 영향을 줍니까?
고충진 시스템의 열전도도는 기계적 특성보다 Tg 전이에 덜 민감합니다. Tg 이상의 주요 관심사는 치수 안정성과 크리프({1}} 화합물이 부드러워지고 CTE가 약 2~3배 증가하며 지속적인 하중으로 인해 포팅- 구성 요소 인터페이스에서 크리프가 발생하는 것입니다. 충전재 입자(대부분의 열을 전달하는)가 그대로 남아 있기 때문에 충전량이 많은 시스템의 경우 열 전도도는 Tg에서 급격하게 떨어지지 않습니다. 열 부하 응용 분야에서 Tg 문제는 기계적이지 열 전도성-과 관련이 없습니다.
다음 단계 - Fong Yong Chemical에 문의
