Der Elektronik Newsletter erscheint heute als kleines Tutorium im Elektronikschutz mit dem Titel Einfluss des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit von Transformatoren und Modulen.
Einleitung
Der Ausdehnungskoeffizient oder Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt - deswegen oft auch thermischer Ausdehnungskoeffizient genannt. Der hierfür verantwortliche Effekt hat einen großen Einfluss auf die Temperaturwechselfestigkeit von Transformatoren und Modulen. Die Temperaturwechselfestigkeit ist u.a. abhängig von der verwendeten Chemie und folgenden Parametern:
- der Glasübergangstemperatur (Tg)
- dem E-Modul
- dem Ausdehnungskoeffizienten (CTE)
- der Anzahl der Testzyklen
- der Geometrie des Gehäuses
Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von der Glasübergangstemperatur (Tg), dem Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der Anzahl der Testzyklen und der Haltezeit, der Geometrie des Moduls und dem E-Modul. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) ist als Steigung des Graphen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm bei einachsiger Belastung innerhalb des linearen Elastizitätsbereichs definiert. Dieser lineare Bereich wird auch als Hookesche Gerade bezeichnet.
Dabei bezeichnet σ die mechanische Spannung (Normalspannung, nicht Schubspannung) und ε die Dehnung. Die Dehnung ist das Verhältnis von Längenänderung zur ursprünglichen Länge. Die Einheit des Elastizitätsmoduls ist die einer Spannung:
Der Elastizitätsmodul wird als Materialkonstante bezeichnet, da mit ihm und den Querkontraktionszahlen das Elastizitätsgesetz aufgestellt wird. Der Elastizitätsmodul ist aber nicht bezüglich aller physikalischen Größen konstant. Er hängt von Umgebungsbedingungen wie z. B. Temperatur, Feuchte oder der Verformungsgeschwindigkeit ab.
Elastisch bedingt eine geringe Shore Härte. Ein geringer Temperaturausdehnungskoeffizient hingegen eine hohe ShoreHärte. Diese Angaben sind physikalisch gegenläufig. Darüber hinaus existieren Marktanforderungen, die Glasübergangstemperatur außerhalb der Betriebstemperatur zu legen. Das schränkt die Materialauswahl sehr ein und erhöht unnötig den Preis. Der Nachweis, dass dies generell Probleme umgehen kann, ist nicht gegeben
Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von der Geometrie des Moduls
Die geringe Elastizität von z.B. Metallgehäusen gegenüber Kunststoffgehäusen kann einen „Bruch“ der Vergussmasse oder des Moduls eher provozieren.
Auch eine Änderungen der Chip-Bauform von z.B. TSSOP auf QFN (Quad Flat No-Lead) hat Folgen. Das QFN-Package ist um ca. 60 % kleiner ist als von TSSOP (thin shrink small outline package). Wegen ihrer Kompaktheit eignen sich QFN-Gehäuse ideal für mobile Endgeräte. QFN-Packages sind SMD-Bauteile, die keine Anschlussdrähte haben, sondern Anschlusskontakte auf der Package-Unterseite, mit denen sie unmittelbar auf der Leiterplatte montiert werden. Deshalb ist keine Elastizität im Vergleich zum z.B. TSSOP mehr vorhanden.
Die Temperaturwechselfestigkeit ist auch abhängig von der Anzahl der Testzyklen und der Haltezeit
Um „belastungsfähige“ Ergebnisse zu erreichen sind moderne Klimaprüfschränke zur Simulation der Klimabedingungen, exakte Klimatestzyklen und sichere Überwachung des Testablaufes notwendig. Die Möglichkeiten für die Erstellung von Programm-zyklen, Speicherung und Anzeige, wie auch Auswertung des Testablaufs sind hier Voraussetzungen.
Der Temperaturbereich sollte –40°C bis +140°C abdecken und Änderungsgeschwindigkeiten zwischen 2 bis 5 K/min zulassen. Es muss deutlich differenziert werden zwischen:
- Temperaturwechseltest (Wechselzeit 2 bis 5 K/min)
- Temperaturschock (Wechselzeit < 30 Sekunden!)
| Am Beispiel von 2k Polyurethan-Verguss-Materialien können sowohl ein niedriges E-Modul, also flexibel, oder aber geringe Ausdehnung also ein hohes E-Modul die Temperaturwechselfestigkeit beeinflussen. |
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