الشكل 1.يكشف التصوير بالكاميرات الحرارية لوحدات الطاقة السميكة- في كثير من الأحيان عن طبقة التأصيص باعتبارها المقاومة الحرارية السائدة -، وهو متغير غائب عن معظم النماذج الحرارية الأولية.
أظهر النموذج الحراري درجة حرارة الوصلة عند 95 درجة تحت الحمل الكامل. يعمل التجميع عند 118 درجة. تبدأ عمليات إرجاع المكونات بعد 14 شهرًا - انحراف عتبة بوابة IGBT، وفشل المكثف الإلكتروليتي، وتركز إجهاد وصلة اللحام حول منطقة التبديد العالية-. يقوم الفريق الهندسي بفحص جودة المكونات. وزن النحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور. مقاومة الاتصال غرفة التبريد. لا أحد يفتح النموذج الحراري ويضيف بندًا لمركب تأصيص الإيبوكسي بين المكون وجدار العلبة. لو تم إدراج هذا البند، لكان قد أظهر مساهمة في المقاومة الحرارية تبلغ 0.04–0.06 كيلو/وات لكل سم² عند سماكة التأصيص القياسية - بما يكفي لمراعاة معظم التناقض بين النموذج والقياس.
مركبات تأصيص الإيبوكسي القياسية عند 0.5 واط/م·ك ليست محايدة حراريًا في تصميمات الأقسام السميكة-. وهي عبارة عن عوازل حرارية ذات وظيفة مثبطة للهب-. إن معاملتها على أنها شفافة حرارياً في النموذج الحراري لإلكترونيات الطاقة هو السبب، وليس العرض، لمشكلة درجة حرارة الوصلة.
المقاومة الحرارية لطبقة التأصيص: تقييم كمي
يتم حساب المقاومة الحرارية من خلال طبقة مستوية كـ R=t / (k × A)، حيث t هو سمك الطبقة، وk هي الموصلية الحرارية، وA هي - مساحة المقطع العرضي. بالنسبة لمركب تأصيص قياسي عند k=0.5 W/m·K:
عند سمك 10 مم، مساحة 1 سم²: R=0.010 / (0.5 × 0.0001)=0.20 K/W
بسماكة 15 مم، مساحة 1 سم²: R=0.015 / (0.5 × 0.0001)=0.30 K/W
عند سمك 20 مم، مساحة 1 سم²: R=0.020 / (0.5 × 0.0001)=0.40 K/W
هذه ليست قيما ضئيلة. تواجه وحدة الطاقة التي تبدد 5 واط من خلال قسم تأصيص 15 مم × 1 سم² ارتفاعًا في درجة الحرارة بمقدار 1.5 درجة عبر التأصيص عند 0.5 وات/م · كلفن - والذي يبدو صغيرًا حتى تصل مساحة المقطع العرضي - إلى 2 سم²، ويكون التبديد 20 وات، وتتركز النقطة الساخنة. في تخطيطات وحدة الطاقة الكثيفة حيث تتشارك مكونات التبديد المتعددة في حجم الوعاء، تساهم المقاومة الحرارية التراكمية لطبقة القدر بنسبة 15-30 درجة في الوصلة-إلى-الميزانية المحيطة في التصميمات التي لم يتم تصميم هذه المساهمة فيها.
عند k=1.5 W/m·K، تنتج نفس الهندسة -ثلث المقاومة الحرارية. يعتمد ما إذا كان هذا التخفيض ذا معنى على ما هي المقاومات الأخرى في المسار الحراري - إذا كانت مقاومة الوصلة -إلى-حالة المكون هي المهيمنة، فإن تحسين مركب التأصيص لا يقدم سوى فائدة قليلة. تكون المقاومة الحرارية لطبقة التأصيص أكثر أهمية عندما تكون هي المصطلح السائد في المسار، والذي يحدث في تصميمات الأقسام السميكة- ذات مسارات تبريد ذات مقاومة منخفضة نسبيًا- على السطح الخارجي.
الشكل 2.في قسم التأصيص بسمك 15 مم، يؤدي التبديل من 0.5 وات/م · كلفن إلى 1.5 وات/م · كلفن إلى تقليل المقاومة الحرارية لطبقة التأصيص بمقدار الثلثين تقريبًا. وتعتمد أهمية هذا التخفيض على الحجم النسبي للمقاومات الأخرى في المسار الحراري.
حيث تهيمن المقاومة الحرارية لقسم -السميك
ليست كل مجموعة في الأصيص حساسة للتوصيل الحراري لمركب الأصيص. تحدد شروط التصميم التالية الحالات التي من المحتمل أن تكون فيها طبقة التأصيص مقاومة حرارية سائدة:
سمك قسم التأصيص أعلى من 8-10 ملم.تحت هذا النطاق، عادة ما تكون المقاومة الحرارية المطلقة لطبقة التأصيص صغيرة مقارنة بالمقاومات الأخرى في المسار. فوق هذا النطاق، خاصة عندما يكون سطح التبريد هو جدار العلبة الخارجي، غالبًا ما تصبح طبقة التأصيص هي المصطلح السائد.
كثافة تبديد الطاقة أعلى من 1 وات/سم² داخل الحجم المحفوظ بوعاء.عند كثافة تبديد منخفضة، يظل فرق درجة الحرارة عبر طبقة التأصيص ضمن الحدود المقبولة حتى عند 0.5 وات/م · كلفن. مع زيادة كثافة الطاقة، تنتج نفس المقاومة الحرارية فروقًا أكبر في درجات الحرارة نسبيًا.
طوبولوجيا مسار التبريد حيث يجب أن تمر الحرارة عبر طبقة التأصيص للوصول إلى سطح التبريد.في التجميعات التي يكون فيها المبدد الحراري أو جدار الحاوية هو مسار التبريد الأساسي ويفصل حجم الوعاء المكون عن ذلك السطح، لا يوجد مسار جانبي - 100% من الحرارة المتبددة للمكون يجب أن يمر عبر الوعاء. في التجميعات حيث يمكن للمكون أن يبرد من خلال الخيوط، أو سطح النحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور، أو الاتصال المباشر مع السكن، يتم تقليل مساهمة القدر.
تطبيقات الخدمة المستمرة بدون تخفيف التدوير الحراري.إن المكون الذي يعمل بشكل مستمر بالقرب من حد درجة حرارة الوصلة الخاصة به يتراكم التحلل خطيًا. يمكن أن يؤدي انخفاض درجة حرارة الوصلة بمقدار 15 درجة - الذي يمكن تحقيقه من خلال اختيار مركب التأصيص في بعض الأشكال الهندسية - إلى مضاعفة عمر خدمة المكونات في ظل تدهور نموذج Arrhenius-.
لماذا الموصلية الحرارية الايبوكسي القياسية منخفضة وما الذي يثيرها
تتمتع راتنجات الإيبوكسي غير المعبأة والمملوءة بشكل خفيف بموصلية حرارية تتراوح بين 0.15-0.25 واط/م · كلفن. يعد هذا متأصلًا في سلاسل البوليمر -المترابطة المتقاطعة - من البوليمرات وهي موصلات حرارية رديئة لأن نقل الحرارة في البوليمرات غير المتبلورة يتم بشكل أساسي من خلال نقل الطاقة الاهتزازية عبر السلاسل، وهو أمر غير فعال مقارنة بالمواد البلورية. تمثل قيم 0.5–0.7 واط/م · كلفن النموذجية لمركبات تأصيص الإيبوكسي المثبطة للهب - القياسية بعض محتوى الحشو - عادةً نفس الحشوات غير العضوية التي تساهم في وظيفة مثبطات اللهب - - ولكن عند تحميلات الحشو المحسنة لقابلية المعالجة وأداء اللهب، وليس للتوصيل الحراري.
يتطلب الوصول إلى 1.5 واط/م · كلفن تحميل حشو أعلى بكثير باستخدام جسيمات غير عضوية موصلة للحرارة - عادةً هيدروكسيد الألومنيوم، أو الألومينا، أو نيتريد البورون عند أجزاء حجمية أعلى من 50%. إن المقايضة-تمثل زيادة حادة في لزوجة المكون الأساسي: فالتركيبة التي توفر 1.5 واط/م · كلفن سيكون لها عادةً لزوجة أساسية في نطاق 500000-1500000 سنتي في الثانية عند 25 درجة، مقارنة بـ 4000-10000 سنتي في الثانية لنظام مثبطات اللهب القياسي-. يتطلب نطاق اللزوجة هذا خلطًا ميكانيكيًا مسبقًا-، ويفضل التوزيع الساخن عند درجة حرارة 50 درجة، للحصول على ملء خالي من الفراغات-في تجاويف التأصيص المحصورة. يعد اكتساب التوصيل الحراري أمرًا حقيقيًا، ولكنه يأتي مع متطلبات الانضباط في العملية غير الموجودة في أصيص الإيبوكسي القياسي.
نقطة مهمة ولكن يتم تجاهلها كثيرًا:يتم تحقيق التوصيل الحراري لنظام مملوء للغاية فقط عندما يتم توزيع الحشو بشكل موحد في القسم المعالج.يؤدي ترسيب مادة الحشو في المكون الأساسي أثناء التخزين - وهو أمر هام في الأنظمة ذات كثافات الجسيمات بشكل كبير أعلى من حامل الراتنج - إلى إنتاج مقطع معالج بتوزيع حشو متغير، وبالتالي موصلية حرارية متغيرة. قد لا تمثل الموصلية الحرارية التي تم قياسها في موقع واحد في الجزء المعالج متوسط الحجم، ولن تمثل الأقسام التي تم فيها صب المادة العلوية المستنفدة للحشو-. هذا ليس عيبًا ماديًا - إنه عيب في التعامل. إن الخلط المسبق- للمكون الأساسي في حاويته الأصلية قبل الوزن ليس أمرًا اختياريًا في أنظمة الحشو- العالية.
الشكل 3.يعتبر ترسيب الحشو في المكون الأساسي E533 أمرًا هامًا بدرجة كافية أثناء التخزين لإنتاج-تجانس غير قابل للقياس في التوصيل الحراري المعالج إذا لم يتم إعادة خلط الحاوية ميكانيكيًا-قبل الوزن.
مشكلة الفراغات: لماذا يعتبر التفريغ أكثر أهمية في الأنظمة الموصلة حرارياً
في مركب تأصيص إيبوكسي قياسي بقدرة 0.5 واط/م·ك، تقلل الفراغات المحتبسة من قوة العزل الكهربائي المحلية وتخلق مواقع تركيز الإجهاد. في المركب الموصل للحرارة المصمم لتوصيل الحرارة، يكون للفراغات نتيجة إضافية وأكثر خطورة: فهي عبارة عن عوازل حرارية مدمجة في مصفوفة موصلة للحرارة.
تبلغ الموصلية الحرارية للهواء في الظروف المحيطة حوالي 0.026 واط/م·ك - تقريبًا 1/58 من المصفوفة المحيطة البالغة 1.5 واط/م·ك. يخلق الفراغ الكروي في مصفوفة موصلة للحرارة مقاومة حرارية محلية أعلى من المواد المحيطة. في وحدة الطاقة ذات القسم السميك- حيث يكون الهدف من التصميم هو توصيل الحرارة من خلال الوعاء إلى جدار العلبة، يمكن أن تؤدي مجموعة من الفراغات في موقع حرج إلى إنشاء عنق زجاجة حراري محلي يتعارض مع الغرض من تحديد مركب الموصلية الأعلى-.
ولذلك فإن تفريغ الفراغ يكون أكثر أهمية في الأنظمة الموصلة حرارياً منه في الأنظمة القياسية. إن حجة تفريغ النظام القياسي هي في المقام الأول أن الفراغات العازلة - تقلل من قوة العزل الكهربائي الفعالة. الحجة المؤيدة لتفريغ نظام موصل حرارياً هي عازلة وحرارية. يعتمد ما إذا كان تطبيق معين يتطلب تفريغ الغاز على هندسة التجويف ومحتوى الفراغ الذي يمكن تحقيقه من خلال التوزيع الدقيق، ولكن في الوحدات الموضوعة بوعاء عالية الكثافة -القدرة-، يكون الافتراض الآمن هو أن تفريغ الغاز مطلوب ما لم يتم التحقق من صحة جودة ملء التجويف على عينات تمثيلية.
درجة حرارة التحول الزجاجي وعلاقتها بالأداء الحراري
يتم استخدام مركب تأصيص موصل حراريًا في بيئة حارة حسب التعريف - وهو شرط التطبيق الذي حفز الاختيار. تحدد درجة حرارة التزجج (Tg) للنظام المعالج درجة الحرارة التي يبدأ عندها تغير الشكل الميكانيكي للوعاء. أسفل Tg، يكون المركب زجاجيًا، وصلبًا، ومستقر الأبعاد. فوق Tg، تنتقل شبكة البوليمر إلى حالة مطاطية ذات معامل منخفض بشكل كبير وتزيد بسرعة CTE.
بالنسبة لتجميع طاقة محفوظ بوعاء يعمل عند درجة حرارة مرتفعة، يحدد Tg للمركب الحد الأعلى لاستقرار الأبعاد الموثوق به - وليس الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المستمرة، الأمر الذي يتطلب هامشًا حراريًا أقل من Tg. إذا اقتربت درجة الحرارة الأساسية لقسم التأصيص من Tg أو تجاوزتها أثناء التشغيل العادي، فسوف يزحف المركب تحت حمل التمدد الحراري الخاص به، مما قد يؤدي إلى تشقق الواجهة مع المكونات المدمجة أو العلبة.
وهذا يعني أن متطلبات Tg لمركب موصل حرارياً يتم تحديدها من خلال مخرجات النموذج الحراري - على وجه التحديد من خلال درجة الحرارة الأساسية المتوقعة للقسم المحفوظ بوعاء عند الحد الأقصى للحمل المستمر - وليس من خلال درجة الحرارة المحيطة للعلبة. في وحدة الطاقة الكثيفة حيث تقلل طبقة التأصيص درجة حرارة الوصلة ولكن قلب الكتلة الموضوعة في الأصيص لا يزال يصل إلى 110 درجة، يكون المركب ذو Tg الذي يبلغ 127 درجة (مع هامش تشغيل ~17 درجة) ذا معنى. سيبدأ المركب الذي تبلغ زاوية Tg له 70 درجة في فقدان استقرار الأبعاد في ظل هذه الظروف.
ما الذي يجب أن يتضمنه النموذج الحراري المناسب للتجمعات في الأصيص؟
إن النموذج الحراري لتجميع الطاقة في الوعاء الذي يستثني المقاومة الحرارية لمركب الوعاء سوف يقلل بشكل منهجي من درجة حرارة الوصلة. النهج الصحيح يشمل:
الوصلة-إلى-حالة المقاومة الحرارية لكل مكون تبديد (من ورقة بيانات المكون).
مقاومة التلامس بين حزمة المكونات ومركب التأصيص المحيط (تعتمد على محتوى الرطوبة والفراغ في الواجهة).
المقاومة الحرارية الكبيرة لطبقة التأصيص من سطح المكون إلى حدود التبريد الأولى (جدار العلبة، أو المبدد الحراري، أو المستوى النحاسي لثنائي الفينيل متعدد الكلور).
مقاومة الاتصال أو الواجهة بين القدر وحدود التبريد.
المقاومة الحرارية لحدود التبريد نفسها (سمك جدار العلبة والمادة، وكفاءة المبدد الحراري).
في التجميعات التي تكون فيها المقاومة الحرارية لطبقة التأصيص هي المصطلح السائد - والذي يتم تحديده من خلال حقيقة أن إزالتها من النموذج تنتج درجة حرارة توصيل أقل بكثير من القيمة المقاسة -، يؤثر اختيار الموصلية الحرارية لمركب التأصيص بشكل مباشر على التصميم الحراري. هذه هي الحالة التي يؤدي فيها تحديد 1.5 وات/م·ك مقابل 0.5 وات/م·ك إلى إحداث فرق كبير في موثوقية النظام.
عندما لا يؤدي وضع الأصيص الموصل حرارياً إلى حل المشكلة
لن يؤدي تحديد مركب تأصيص بقدرة 1.5 وات/م · كلفن إلى حل مشكلة ارتفاع درجة حرارة الوصلة عندما:
يعتبر الوصل المكون-إلى-مقاومة الحالة هو المصطلح السائد.إذا كان المكون نفسه هو عنق الزجاجة الحراري، فإن تحسين موصلية مركب التأصيص له تأثير هامشي. يجب تحليل النموذج الحراري الكامل لتحديد المقاومة المهيمنة قبل تغيير المواد.
قسم القدر رقيق (أقل من 5 مم).عند السماكة المنخفضة، تكون المقاومة الحرارية المطلقة لطبقة التأصيص صغيرة بغض النظر عن الموصلية. يؤدي تحديد 1.5 وات/م · كلفن لمعالجة طبقة تأصيص بقطر 5 مم إلى إضافة تعقيد العملية دون فائدة حرارية ذات معنى.
إن مسار التبريد بين السطح الخارجي للوعاء والبيئة المحيطة هو المقاومة المحددة.إذا كان الحمل الحراري الطبيعي من سطح الحاوية هو عنق الزجاجة الحراري، فإن تقليل مقاومة طبقة التأصيص يحرك عنق الزجاجة خطوة واحدة للخارج - ولا يقلل من درجة حرارة الوصلة بشكل متناسب.
لا يتم التحكم في الفراغات وتوزيع الحشو.قد لا يكون أداء المركب الموصل حرارياً الذي يحتوي على محتوى فارغ بنسبة 10-15% أفضل من المركب القياسي الذي يحتوي على فراغات صفرية، لأن الفراغات تخلق مقاومات حرارية محلية تتجاوز تحسين التوصيل بالجملة.
منتج ذو صلة للإدارة الحرارية في الأصيص ذو القسم السميك-.
E533/H533 عبارة عن مركب تأصيص إيبوكسي مملوء بكثافة ومكون من مكونين- يوفر موصلية حرارية تبلغ 1.5 وات/م·ك وTg 127 درجة. يتطلب معالجة حرارية على مرحلتين- (80 درجة × 2 ساعة + 120 درجة × 4 ساعات) لتطوير خصائصه المقدرة. يتمتع المكون الأساسي (E533) بلزوجة تبلغ 500,000-1,500,000 cps عند 25 درجة - من الخلط الميكانيكي المسبق- والتوزيع الساخن عند 50 درجة (حيث تنخفض اللزوجة المختلطة إلى 700-1500 cps) لتطوير الخصائص المتسقة والتعبئة الحرة للفراغات-.
يجب تأكيد حالة شهادة UL 94 V-0 ضمن الملف E120665 (المدرج كـ E-53(Y)/H-53(Y)) مع شركة Fong Yong Chemical قبل المواصفات، حيث تتطلب حالة اختبار المتابعة اعتبارًا من ديسمبر 2025 التحقق. يجب على المهندسين الذين يحتاجون إلى شهادة UL النشطة حاليًا تأكيد الجدول الزمني للاستعادة قبل تضمين E533/H533 في المنتج النهائي المدرج في قائمة UL.
👉 🔗 E533/H533 صفحة المنتج - البيانات الفنية، التوصيل الحراري، ملاحظات التطبيق
الأسئلة الهندسية الرئيسية
عند أي سُمك للأصيص تبدأ أهمية مواصفات التوصيل الحراري؟
كمبدأ توجيهي تقريبي، تصبح المقاومة الحرارية لطبقة التأصيص كبيرة مقارنة بالمقاومات الحرارية الأخرى في المسار عندما يتجاوز قسم التأصيص حوالي 8-10 مم وتتجاوز كثافة تبديد الطاقة 1 وات/سم². تحت هذه العتبات، فإن المقاومة المطلقة لطبقة التأصيص لا تكون عادةً هي المصطلح السائد، كما أن زيادة التوصيل الحراري من 0.5 إلى 1.5 وات/م·ك ينتج عنها تحسن أقل من 5 درجات في درجة حرارة الوصلة. ويجب التأكد من ذلك عن طريق تشغيل الأرقام في نموذج حراري كامل للهندسة المحددة قبل اتخاذ قرار تغيير المادة.
هل يمكن قياس التوصيل الحراري على عينات الإنتاج للتحقق من أداء المركب كما هو محدد؟
نعم، ولكن يجب إجراء القياس على العينات المعالجة التي تم تصنيعها بحجم دفعة الإنتاج وظروف تفريغ الغاز، وليس على العينات المختبرية المعدة في ظل ظروف مثالية. تعتبر الموصلية الحرارية في الأنظمة المملوءة بدرجة عالية حساسة لمحتوى الفراغ وتوزيع الحشو. يمكن لعينة الإنتاج التي تحتوي على محتوى فارغ بنسبة 5% وإعادة تشتيت الحشو غير المكتمل من الخلط المسبق - غير الكافي أن تقيس 0.8–1.0 واط/م·ك بدلاً من 1.5 واط/م·ك. يعد قياس الموصلية الحرارية الدورية على العينات التمثيلية -الإنتاجية هو أسلوب التحقق الصحيح، وليس الاعتماد على قيم TDS وحدها.
هل يؤثر Tg لمركب القدر على التوصيل الحراري أثناء التشغيل؟
تكون الموصلية الحرارية في الأنظمة المملوءة بدرجة عالية أقل حساسية للانتقال Tg من الخواص الميكانيكية. الاهتمام الأساسي فيما يتعلق بـ Tg هو استقرار الأبعاد والزحف - حيث يلين المركب، ويزيد CTE بمقدار 2–3× تقريبًا، ويتسبب الحمل المستدام في الزحف في واجهة مكون التأصيص-. لا تنخفض الموصلية الحرارية بشكل كبير عند Tg بالنسبة لنظام مملوء بكثافة لأن جزيئات الحشو (التي تحمل معظم الحرارة) تبقى في مكانها. إن مشكلة Tg في التطبيقات المحملة حراريًا هي مشكلة ميكانيكية، وليست مرتبطة بالتوصيل الحراري-.
الخطوات التالية - اتصل بشركة Fong Yong Chemical
