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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Verlustleistung von Widerständen nach dem Umgießen


Autor: Fred (Gast)
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Hallo

Weiss jemand von euch, wie sich die maximale Leistungsaufnahme eines 
Widerstandes (SMD und MELF) verändert, wenn die Platine mit einem 
Kunstharz vergossen wird oder mit Kunststoff umspritzt wird?

Möchte keine Abschätzung (nimm eben nen dickeren...) sondern möglichst 
eine Formel oder ein Verweis auf eine Messung/Buch/...

Würde mich freuen, wenn mir jemand weiterhelfen könnte.

Gruß, Fred

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Fred (Gast)

>Weiss jemand von euch, wie sich die maximale Leistungsaufnahme eines
>Widerstandes (SMD und MELF) verändert, wenn die Platine mit einem
>Kunstharz vergossen wird oder mit Kunststoff umspritzt wird?

Sie wird geringer.

>Möchte keine Abschätzung (nimm eben nen dickeren...) sondern möglichst
>eine Formel oder ein Verweis auf eine Messung/Buch/...

Das dürfte recht schwierig werden, denn da gibt es viele Einflussgrössen

- Lager der Platine (waagerecht/senktecht)
- Luftraum auf der Paltine
- Luftgeschwindigkeit, Zwangsbelüftung
- Harztyp/Harzdicke
- Wärmeableitung auf der Platine

>Würde mich freuen, wenn mir jemand weiterhelfen könnte.

Nimm nen grösseren ;-)
Ich würde Pi mal Dauem sagen, dass man im Falle von einer dünnen 
Harzschicht den Widerstand nur mit 50..80% belasten sollte.

MfG
Falk

Autor: Fred (Gast)
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Hallo Falk

Danke für die ersten Tipps.

Es geht um keine dünne Harzschicht. Vermutlich werden wir die Platine 
mit Kunststoff umspritzen. In jede Richtung ist es ca. 1 cm Material.

Kennst du eventuell ein Fachbuch, welches diese Thema vielleicht 
behandelt?

Gruß Fred

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Fred (Gast)

>Es geht um keine dünne Harzschicht. Vermutlich werden wir die Platine
>mit Kunststoff umspritzen. In jede Richtung ist es ca. 1 cm Material.

Uuups, dann ist ja die gesamte Platine thermisch isoliert. Dann würde 
ich man ganz weit runtergehen, eher so auf 10% oder weniger.

>Kennst du eventuell ein Fachbuch, welches diese Thema vielleicht
>behandelt?

Leider nein. Aber man kann und muss ein paar prinzipielle Überlegungen 
anwenden, die für alle Wärmeableitungen/Kühlkörper gelten.

Wärmequelle -> Isolation mit Wärmewiderstand -> Umgebung

Delta_T = P * R_T = W * K/W = K

Das Problem ist R_T. Das kann wahrscheinlich nur experimentell bestimmt 
werden (an kritischen Stellen Temperaursensoren anbringen, vergiessen, 
Board unter Vollast betreiben, Temperatur messen.

MFG
Falk

Autor: Alexander (Gast)
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Ich denke, das ist nicht so schwer.
Als Kühlkörper hat man die thermische Leitfähigkeit des Kunststoffs - 
die ist gering. Das Problem hier ist nur die Temperatur des Kunststofft 
zu bestimmen aber die kann man über die gesamte Verlustleistung des 
Systems bestimmen.
Man müßte wissen, wieviel die Luft durch Konvektion zur Kühlung beträgt 
und könnte es dann mit der Wärmeleitung des Kunststoffs vergleichen.

Autor: Lutz (Gast)
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Hallo Fred,
Leistungsbegrenzende Faktoren von Widerständen in SMT:
- Stromdichten an Kontaktstellen (Widerstandsbahn / Metallisierung)
- Migration von Materialien durch hohe Stromdichten
-> beeinflusst die 'Badewannenkurve'
- thermische Beständigkeit der verwendeten Materialien über die Zeit
- thermischer Widerstand des Bauteils zur Umgebung

Um eine hohe Lebendauer der Bauteile zu gewährleiten, werden viele 
Parameter überdimensioniert. Das reduziert die Frage nach dem 
thermischen Widerstand zur Umgebung. Bei der Umhüllung des Bauteils mit 
einem Material, welches eine höhere thermische Leitfähigkeit hat als 
(nahezu ruhende) Luft, wird der thermische Widerstand zur Umgebung 
kleiner. Zu erwarten ist also, dass die maximale Leitungsaufnahme eines 
SMD-Widerstandes mit Harzumhüllung größer wird (Falk möchte bitte mal 
seine Behauptung begründen).

in http://omega.de/pdf/specs/np201.pdf gibt es Harze mit ca. λ=1 W/(m*K)
in http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeleitf%C3%A4higkeit gilt für 
Luft ca. λ=0.03 W/(m*K)

Aus diese Daten ergibt sich eine deutliche Verringerung des thermischen 
Widerstands zur Umgebung.

Mit einer Erhöhung der maximalen Leistung an SMD-Widerständen bei 
großzügiger Umhüllung mit Epoxidharz bis um den Faktor 5 hätte ich keine 
Bedenken.

Gruß ...
Lutz

Autor: Hagen Re (hagen)
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@Lutz, sehe ich auch so. Besonderst weil es sogar spezielle Harze gibt 
die darauf optimiert sind die Wärmeableitung zu untestützen. Das größere 
Problem dürfte die Elastizität sein, dh. die Ausdehnung der Harze und 
somit die mechamische Belastungen der Bauteile bei ständigen 
Temperaturschwankungen.

Gruß Hagen

Autor: Lutz (Gast)
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Hi Hagen,
Problem könnte auch sein, dass sich durch die Spaltbildung der 
thermische Widerstand sprungartig erhöht. Die Ausgasungen des Harzes 
würden den Spalt bei erhöhten Temperaturen vergrößern, was die 
Temperatur noch schneller ansteigen lässt, wobei die Ausgasung 
beschleunigt wird ...

(also doch Wasserkühlung)

Gruß ...
Lutz

Autor: Hagen Re (hagen)
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Nunja, die Spaltbildung besäße aber dann immer noch einen höheren 
Wärmeleitwert als bei Luft im allgemeinen. Ich denke das die 
mechanischen Belastungen und die technologische Umsetzung der Gieserei 
die wesentlichsten Probleme darstellen.

Gruß Hagen

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Lutz (Gast)

>Bei der Umhüllung des Bauteils mit einem Material, welches eine höhere
> thermische Leitfähigkeit hat als (nahezu ruhende) Luft, wird der
> thermische Widerstand zur Umgebung
>kleiner.

So weit, so gut.

> Zu erwarten ist also, dass die maximale Leitungsaufnahme eines
>SMD-Widerstandes mit Harzumhüllung größer wird (Falk möchte bitte mal
>seine Behauptung begründen).

Folgt prompt.

>Aus diese Daten ergibt sich eine deutliche Verringerung des thermischen
>Widerstands zur Umgebung.

FALSCH! Schon mal was von Reihenschaltung gehört? Und Konvektion?
Die Wärme fliesst vom Bauteil auf das Epoxidharz, das meinetwegen einen 
geringeren Wärmewiderstnad hat als RUHEND! Luft. Irgendwann kommt die 
Wärme zur Kontaktfläche Harz-Luft. Wenn hier keine speziellen 
konstruktiven Massnahmen getroffen werden, ist der Wärmeübergang in etwa 
genausogross wie von der Platine direkt zur Luft. Und man darf mal nicht 
vergessen, dass Kühlung aus ZWEI Komponenten besteht, Wärmeleitung und 
Konvektion! Und für letztere spielt der Wärmewiderstand des Medium eine 
untergeordnete Rolle. Luft erwärmt sich, dehnt sich aus und steigt nach 
oben (Konvektion).

>Mit einer Erhöhung der maximalen Leistung an SMD-Widerständen bei
>großzügiger Umhüllung mit Epoxidharz bis um den Faktor 5 hätte ich keine
>Bedenken.

Der Widerstand wahrscheinlich umso mehr. Es mag sein, dass durch 
spezielle Füllmassen/Harze die Kühlung wesentlich verbessert werden 
KANN! Aber so allgemein ohne weitere Angaben würde ich das hier nicht 
sagen.

MfG
Falk

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Hallo,

der Vergleich mit der Reihenschaltung stimmt nicht ganz, sonst würden ja 
auch Kühlkörper keinen Sinn machen. Ich denke mal dass ein eingegossener 
Widerstand thermisch tendenziell besser an die Umgebung angekoppelt ist 
als einer an der freien Luft. Man darf aber nicht vergessen dass der 
Widerstand, unabhängig vom Vergießen, schon einen metallischen Kontakt 
zur Platine hat über den er einen nicht unerheblichen Teil seiner Wärme 
los wird. Eine Verbesserung um den Faktor 5 scheint mir da ein wenig 
optimistisch (rein gefühlsmäßig).

Gruß
Reinhard

Autor: yyyy (Gast)
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Vorschlag: Macht ein Experiment.

Eine Lochrasterplatine mit einem meschanich größeren Widerstand 
bestücken; Anschlüsse über Draht führen und einen NTC oder besser einen 
kleinen Pt100 an den Widerstand anbringen und vergießen.

Den Widerstand anschließen und mittels einer einfachen 
Widerstandsmessung die Temperatur feststellen. Langsam die 
Verlustleistung am Widerstand erhöhen.

Und dann bitte: Das Ergebnis hier mitteilen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Reinhard R. (reinhardr)

>der Vergleich mit der Reihenschaltung stimmt nicht ganz, sonst würden ja
>auch Kühlkörper keinen Sinn machen.

Stimmt ;-)

@ yyyy (Gast)

>Vorschlag: Macht ein Experiment.

Gute Idee! (son Scheiss) (Otto Klassiker ;-)

>Eine Lochrasterplatine mit einem meschanich größeren Widerstand
>bestücken; Anschlüsse über Draht führen und einen NTC oder besser einen
>kleinen Pt100 an den Widerstand anbringen und vergießen.

Aber erstmal die Temperatur ohne Vergussmasse messen, sonst kann man ja 
schlecht vergleichen. UN den PT100 SEHR GUT thermisch ankoppeln.

MFG
Falk

Autor: Harry Up (harryup)
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hi fred,
ich habe das experiment gemacht, wir vergiessen unsere platinen auch, es 
stellte sich dieselbe frage, was passiert wenn...
ich habe 8 dioden gleichen typs (ausgemessen) in serie gelötet, dann 
jede 2. mit harz umgossen, die harzschichtungen um den diodenkörper 
immer doppelt so gross wie den vorherigen, so dass ich 4 dioden 
eingegossen hatte, 4 wurden durch konvektion der umgebungsluft gekühlt.
der diodenstrang wurde mit einem konstantstrom von 800 mA beaufschlagt, 
der spannungsabfall an jeder diode wurde gemessen.
entgegen meiner erwartung verhielten sich alle eigegossenen dioden 
thermisch günstiger, als die 'unverpackten'. die differenzen waren nicht 
gerade riesig, es wurde aber deutlich, dass umgebendes harz eine platine 
thermisch durchaus begünstigt.
grüssens, harry

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Harry Up (harryup)

>ich habe 8 dioden gleichen typs (ausgemessen) in serie gelötet, dann
>jede 2. mit harz umgossen, die harzschichtungen um den diodenkörper
>immer doppelt so gross wie den vorherigen, so dass ich 4 dioden
>eingegossen hatte, 4 wurden durch konvektion der umgebungsluft gekühlt.
>der diodenstrang wurde mit einem konstantstrom von 800 mA beaufschlagt,
>der spannungsabfall an jeder diode wurde gemessen.

Naja, ist mal ein Ansatz.

>entgegen meiner erwartung verhielten sich alle eigegossenen dioden
>thermisch günstiger, als die 'unverpackten'. die differenzen waren nicht
>gerade riesig,

Nun bring mal Butter bei die Fische! Wieviel Kelvin 
Temperaturunterschied waren es denn?

> es wurde aber deutlich, dass umgebendes harz eine platine
>thermisch durchaus begünstigt.

Eben, die Betonung liegt auf "durchaus". In deinem Fall sorgt das Harz 
für eine schnelle Verteilung der Wärme auf eine grössere Fläche, wirkt 
also wie ein Kühlkörper. Wenn aber die Platine dicht gepackt ist und 
flächig schon viel Wärme erzeugt sieht das womöglich anders aus.

MFg
Falk

Autor: Harry Up (harryup)
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hi,
hier is de budder bei de fischkens, soweit vorhanden.
wieviel kelvin das nun waren, weiss ich nicht, es interessiert mich auch 
nicht sonderlich. der spannungsabfall an den verpackten dioden war nur 
20mV höher als an den unverpackten. die letztendlich zum tragen kommende 
oberfläche des 'harzkühlkörpers' trug nicht entscheidend zur kühlung 
bei, es scheint, dass der grundsätzliche vorteil in der 
oberflächenvergrösserung liegt, was eine günstigere wärmeabgabe zufolge 
hat. wird die distanz zur wärmeabgebenden fläche vergrössert, kann die 
grössere kühlfläche keinen weiteren vorteil einbringen. es war ja auch 
nur ein grundsätzliches experiment, das darstellen sollte, ob die 
'verpackung' des bauteiles sich positiv, negativ oder nicht auswirkt.
übertragen wurde diese erkenntnis dann auf eine 
servomotor-treiberplatine, auf der die transistoren (to220 housing auf 
alu verschraubt, oben platine parallel zum alu vollständig vergossen) 
wärme (auch) an das harz abgeben. die frage war, erhitzt der transistor 
alle anderen komponenten oder kann deren wärme günstig abgeführt werden. 
sie kann.
grüssens, harry

p.s. passt wahrscheinlich nicht auf alle harze, wir verwenden 
polyurethanharz von peters

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Harry Up (harryup)

>nicht sonderlich. der spannungsabfall an den verpackten dioden war nur
>20mV höher als an den unverpackten. die letztendlich zum tragen kommende

Macht bei ~2,6mV/K etwa 8K, na immerhin.

>servomotor-treiberplatine, auf der die transistoren (to220 housing auf
>alu verschraubt, oben platine parallel zum alu vollständig vergossen)
>wärme (auch) an das harz abgeben. die frage war, erhitzt der transistor
>alle anderen komponenten oder kann deren wärme günstig abgeführt werden.
>sie kann.

Klar, weil die meiste Wärme übers ALU abgeführt wird.

MFG
Falk

Autor: Harry Up (harryup)
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sicher, hätt' mich auch echt fertiggemacht, wenn ein plastkühlkörper dem 
alu überlegen wäre. hab nur (unter anderem) 'nen schaltregler drauf, um 
den hatte ich bissl angst, dass es ihm zu warm werden könnte. ohne harz 
ging's, mit harz geht's halt besser.
grüssens, harry

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