Compressie van het thermische interface-materiaal in accupakketten

Compressie is het proces waarbij een thermisch geleidend materiaal, met een geleidbaarheidswaarde volgens het specificatieblad, daadwerkelijk de contactweerstand levert waarmee een accupakket werkt. Een vulmiddel met een geleidbaarheid van enkele W/m·K levert slechts een klein deel van die waarde totdat het voldoende wordt samengedrukt om beide oppervlakken te bevochtigen en de ingesloten lucht uit de verbinding te persen. In een elektrische auto of energieopslagpakket vindt die samendrukking plaats tussen cellen of modules en een koelplaat. Het moet functioneren binnen de werkelijke assemblagetoleranties en binnen de reële limieten voor de druk die op een celbehuizing of printplaat kan worden uitgeoefend. Dit artikel behandelt de thermische effecten van compressie, de verschillen tussen compressieverhouding, compressiekracht en doorbuiging, waarom meer compressie niet langer helpt maar juist schadelijk wordt, en hoe een optimale afstand tussen cel en koelplaat kan worden bepaald. Het behandelt niet de specifieke productselectie of het ontwerp van het vloeistofkoelingssysteem zelf.

Wat compressie doet met een thermisch geleidend materiaal.

Compressie verlaagt de thermische weerstand van een verbinding voornamelijk door het daadwerkelijke contact te verbeteren en de lucht die in het grensvlak is opgesloten te verdringen, en door de dikte van de lijmlaag te bepalen die de verbinding uiteindelijk vasthoudt. Stilstaande lucht geleidt warmte slechts met ongeveer 0,025 W/m·K, dus elke luchtbel gedraagt zich als een lokale isolator in serie met het geleidende pad. Door het grensvlakmateriaal in de oppervlaktestructuur te drukken, worden deze luchtbellen samengedrukt en vervangen door een vulmateriaal dat één tot twee ordes van grootte beter geleidt. Samendrukbaar materialen voor thermisch beheer Ze behalen het grootste deel van hun gemeten winst op deze manier. De daling van de thermische weerstand van de verbinding komt voort uit het verwijderen van de ingesloten lucht onder representatieve druk en lijmdikte, niet uit het bulkgeleidbaarheidsgetal van het vulmiddel. Of de effectieve geleidbaarheid van een materiaal zelf verandert met de druk, hangt af van het specifieke product en de bijbehorende testcurve.

Werkelijke contactoppervlakken zijn nooit zo vlak of parallel als een tekening suggereert. Bewerkingssporen, kromtrekking, ophoping van beplating en variaties in componenthoogte laten een spleet achter die varieert over de verbinding, en de twee vaste stoffen raken elkaar slechts op een klein deel van hun schijnbare contactoppervlak. Een samendrukbaar interfacemateriaal past zich aan die variërende spleet aan. Het geleidt warmte over de gebieden waar de vaste stoffen elkaar nooit daadwerkelijk raken.

Batterijpakketten maken dit lastiger dan een enkele chip op een koelplaat, omdat de oppervlakken aan beide zijden van de verbinding niet meewerken. Een prismatische behuizing, een pouch of een modulevlak rust tegen een koelplaat waarvan de vlakheid wordt bepaald door het productieproces, en de acceptabele klemkracht wordt beperkt door wat de cel en de bevestiging ervan aankunnen. Inzicht in hoe compressie het warmtepad bepaalt, is het uitgangspunt voor het afstemmen van de compressie. thermische geleidende materialen voor batterijen voor een specifiek pakket. Een geleidbaarheidswaarde in een datasheet geeft op zichzelf geen informatie over de thermische weerstand van de geassembleerde verbinding.

Compressieverhouding, kracht en doorbuiging zijn niet dezelfde variabele.

Compressieverhouding, compressiekracht en doorbuiging beschrijven verschillende dingen, en het door elkaar halen ervan leidt vaak tot verwarring in specificaties. De compressieverhouding is de fractie van de dikte die wordt verwijderd. Je berekent deze als de oorspronkelijke dikte min de gecomprimeerde dikte, gedeeld door de oorspronkelijke dikte, en drukt het resultaat uit als een percentage. Het is een geometrische waarde die aangeeft hoe ver het materiaal wordt samengedrukt. Op zichzelf zegt het niets over de kracht die nodig is om dit te bereiken.

De compressiekracht is de belasting die nodig is om een bepaalde doorbuiging te bereiken, en deze is afhankelijk van de stijfheid van het materiaal, de dikte en het contactoppervlak. Gepubliceerde gegevens tonen dit vaak als een compressiekracht-versus-doorbuigingscurve, omdat de benodigde kracht niet-lineair toeneemt naarmate het materiaal verder wordt samengedrukt. Een zachtere vulstof met een lagere elasticiteitsmodulus bereikt dezelfde compressieverhouding bij een lagere kracht. Dit is direct van belang wanneer de belasting op een batterijcel of een printplaat met componenten valt, en niet op een stijf gietstuk. Wanneer een verbinding ook aan een bepaalde doelstelling moet voldoen, is dit ook relevant. thermische geleidbaarheid van het spleetkussen, De kracht die nodig is om dat kussen op zijn plaats te krijgen, wordt onderdeel van het mechanische budget en is geen detail dat later nog moet worden opgelost.

Hardheid verbindt de twee, maar vervangt geen van beide. Zachte voegvullers worden vaak gespecificeerd op een Shore 00-schaal, omdat ze veel te flexibel zijn om een zinvolle meting te geven op hardere durometerschalen. Een lagere hardheid betekent over het algemeen een lagere compressiekracht bij een gegeven doorbuiging, en daarom worden flexibele vullers gekozen voor ongelijkmatige of fragiele constructies. Zelfs dan moet de werkelijke kracht nog steeds worden afgelezen van de eigen curve van het materiaal bij de betreffende dikte en oppervlakte.

Waarom meer compressie niet altijd beter is

Meer compressie helpt aanvankelijk snel, maar levert daarna geen voordeel meer op. Het is daarom een vergissing om het te behandelen als een knop die je kunt opendraaien. Het grootste voordeel treedt in het begin op, wanneer de eerste compressiestappen de luchtbellen laten verdwijnen en een goed contact tot stand brengen. Daarna zorgt extra compressie ervoor dat de lijmverbinding slechts iets dunner wordt, terwijl de benodigde kracht blijft toenemen. Hierdoor neemt de thermische opbrengst per extra newton belasting af. De gepubliceerde compressiedoelen variëren per materiaal en leverancier en er is geen vast getal. Sommige siliconen vulmiddelen voor kieren hebben een compressiewaarde van 15 tot 20 procent, andere een waarde tussen 20 en 40 procent, en sommige formuleringen zijn geschikt voor aanzienlijk meer compressie. Beschouw dergelijke getallen als specifiek voor één product. Controleer het doel aan de hand van het eigen gegevensblad en de compressiecurve van het betreffende onderdeel voor uw dikte, oppervlakte en belasting, en neem geen waarde zomaar over van het ene product naar het andere.

Overmatige compressie is een betrouwbaarheidsprobleem, niet alleen een kwestie van afnemende meeropbrengst. Het overbelasten van een vulmateriaal kan leiden tot overmatige mechanische spanning op de componenten achter de verbinding. In een batterijpakket kan dit betekenen dat een printplaat kromtrekt, een cel te zwaar belast wordt of een stijf substraat scheurt. De belasting die de warmteoverdracht optimaliseert en de belasting die de componenten bedreigt, liggen niet altijd ver uit elkaar. Controleer het thermische prestatiebereik en de mechanische limiet van het zwakste element in de stapel afzonderlijk en laat de strengste van de twee de norm bepalen.

Het gedrag op lange termijn onder compressie is net zo belangrijk als de initiële waarde. Interfacematerialen kunnen een compressievervorming ondergaan, wat betekent dat ze niet volledig hun oorspronkelijke dikte terugkrijgen nadat ze onder compressie zijn gehouden. Sommige gedoseerde vulstoffen kunnen ook uit de voeg worden geperst tijdens thermische cycli, afhankelijk van de samenstelling en de uithardingstoestand, als de voeg uitzet tijdens het opwarmen en afkoelen. Omdat deze effecten zich gedurende de levensduur van de kit manifesteren, is de thermische weerstand die ertoe doet die onder aanhoudende compressie in gebruik, en niet een waarde uit het specificatieblad voor onbelaste toestand. De thermische weerstand in stationaire toestand wordt onder belasting gekarakteriseerd met een methode zoals ASTM D5470 bij een bepaalde druk en lijmdikte. Compressievervorming, uitzetting en de mate waarin de thermische prestaties behouden blijven na cycli zijn afzonderlijke duurzaamheidsvraagstukken die afzonderlijk moeten worden geverifieerd en niet kunnen worden afgeleid uit één enkele meting in stationaire toestand.

Een compressiedoel instellen voor de afstand tussen de cel en de koude plaat.

Het bepalen van een compressiedoel begint met de spleet, niet met het materiaal, omdat het materiaal alleen de variatie in spleetbreedte hoeft op te vangen die de constructie daadwerkelijk vertoont. Meet of schat de spreiding van de spleten over de verbinding. Neem de maximale waarde in het slechtste geval mee, gebaseerd op de opeenstapeling van toleranties, en de minimale waarde waar de oppervlakken het dichtst bij elkaar komen. Een vulmateriaal moet bij de grootste spleet in bruikbaar contact blijven en mag bij de kleinste spleet niet tot over de grens worden samengedrukt. Die spreiding, en niet een nominale afmeting, bepaalt hoeveel flexibiliteit het materiaal nodig heeft.

Vlakheid en de keuze tussen een voorgevormde voegpad en een ter plaatse uithardende voegvuller vloeien voort uit die spreiding. Een gestanste voegpad is geschikt voor voegen waar de voegbreedte redelijk uniform en reproduceerbaar is. Een gedoseerde, ter plaatse uithardende voegvuller past zich aan grotere of minder voorspelbare variaties aan zonder een hoge druk over het gehele oppervlak te veroorzaken. Deze afweging is een van de kernbeslissingen bij het plaatsen van voegen. het juiste thermische interfacemateriaal voor uw toepassing kiezen. Het werkt rechtstreeks in op het compressiedoel, omdat een stijver kussen bij hoge compressie kwetsbare onderdelen kan belasten die met een zachter, gedoseerd materiaal niet belast zouden worden.

De montagemethode en de elektrische vereisten maken het doel compleet. Wanneer een productielijn vulmiddel in grote hoeveelheden doseert, kan die route volledig geautomatiseerd worden en variaties tussen onderdelen opvangen zonder handmatig aangebrachte vulplaatjes. Dit is een procesfactor om rekening mee te houden, geen automatische standaardinstelling. De interface moet mogelijk ook spanningsonderdrukking bieden, wat beperkingen oplegt aan de samenstelling van het vulmiddel en de minimale hoeveelheid materiaal die overblijft in het dunste deel van de verbinding. Zodra deze beperkingen zijn vastgesteld, moet het ontwerp worden gecontroleerd zoals het in de praktijk zal werken. Controleer de compressiekracht bij nominale en worst-case openingen ten opzichte van wat de cellen en de printplaat aankunnen, en controleer de resulterende thermische weerstand onder die compressie, niet bij vrije dikte.

Compressie als een begrensde ontwerpvariabele

Compressie kan het beste worden beschouwd als een begrensde variabele. Het is nuttig tot het punt waarop de verbinding nat is en de lucht is verdwenen, en contraproductief daarna. De kernbeslissing die een batterijpakketingenieur moet nemen, is er een van volgorde. Bepaal eerst de spleetverdeling en de acceptabele mechanische belasting. Kies vervolgens een materiaal dat zacht genoeg is om binnen die belasting een bruikbaar contact te bereiken. Pas daarna bepaal je de compressieverhouding en de methode om de thermische weerstand daaronder te controleren. Het getal dat het vaakst verkeerd wordt geïnterpreteerd, is de geleidbaarheid uit het datasheet, die het bulk materiaal beschrijft en niet de gecomprimeerde verbinding die de temperatuur van het batterijpakket daadwerkelijk bepaalt.

Wanneer een verbinding een lastige spleetbreedte moet combineren met een lage toelaatbare klemkracht, hangt het resultaat af van de afstemming tussen het interfacemateriaal, de celindeling en de vlakheid van de koelplaat. Een vast compressiepercentage is niet doorslaggevend. Die combinatie van interfacemateriaal en koelplaat staat centraal in het thermische werk van Trumonytechs met betrekking tot de verbinding tussen cel en koelvloeistof. De juiste afstemming zorgt ervoor dat de warmteoverdracht van de cel naar de koelvloeistof optimaal blijft.

FAQ

Verder lezen

• Eigenschappen van thermische interfacematerialen: vulmaterialen voor kieren — een technisch whitepaper van een fabrikant over hoe samendrukbare voegvullers zich aanpassen aan oppervlakken en waar hun geleidbaarheidsbereik vandaan komt.
• ASTM D5470 Standaard testmethode voor de thermische transmissie-eigenschappen van thermisch geleidende elektrische isolatiematerialen — de standaard die ten grondslag ligt aan de thermische weerstandswaarden onder belasting en in stationaire toestand, die u volgens dit artikel moet controleren bij een bepaalde druk en lijmdikte.
• Thermische interface materialen: van fundamenteel onderzoek tot toepassingen — een collegiaal onderzoek dat de volumeweerstand van een verbinding scheidt van de contactweerstand, dezelfde splitsing waarop de discussie over compressie hier is gebaseerd.

Gerelateerde artikelen

• Gids voor thermische interfacematerialen — een eenvoudige inleiding over wat TIM's zijn, de belangrijkste materiaalsoorten en hoe je er een kiest, voor lezers die de bredere context achter compressie willen begrijpen.
• Innovaties in TIM's voor verbeterd thermisch beheer van elektronica — legt uit hoe TIM's de ruimte tussen warmtebronnen en warmteafvoeren opvullen, waarmee het mechanisme voor het opvullen van die ruimte, waarop dit artikel is gebaseerd, wordt uitgebreid.
• Geleidende versus niet-geleidende thermische pasta: een selectiegids — helpt lezers onderscheid te maken tussen thermische en elektrische geleidbaarheid, wat belangrijk is wanneer de verbinding ook spanning moet kunnen weerstaan.
• Hoe werkt thermische gel? — beschrijft hoe een aangebrachte gel microscopische openingen in het oppervlak opvult, een techniek die nauw verwant is aan de hier besproken uithardende fillers.
• Hoe vaak moet je koelpasta vervangen? — behandelt hoe interfacematerialen in de loop der tijd degraderen, nuttige achtergrondinformatie voor de punten over compressiebestendigheid en uitpompbestendigheid.