Table of Contents

Трансфертное формование стало краеугольным процессом в производстве корпусов для силовой электроники. Эти корпуса имеют решающее значение для защиты чувствительных электронных компонентов от влаги, пыли, вибрации и тепловых экстремальных явлений, а также обеспечивают электрическую изоляцию и пути рассеивания тепла. По мере того, как силовая электроника продолжает уменьшаться в размерах и увеличивать плотность мощности, требования к материалам корпуса и методам производства становятся более строгими. Трансфертное формование предлагает уникальное сочетание точности, универсальности материала и механической целостности, что делает его идеально подходящим для этого требовательного применения. В этой статье подробно рассматривается процесс формования передачи, охватывающий его принципы, преимущества, выбор материала, процедурные шаги и приложения в ключевых отраслях.

Что такое трансфертное формование?

Трансфертное формование представляет собой производственный процесс, в котором предварительно нагретый расплавленный материал - обычно термореактивный полимер - вытесняется из передаточной камеры в закрытую полость формы под высоким давлением. В отличие от инъекционного формования, где материал пластифицируется и вводится в виде единого потока через сопло, передаточное формование использует отдельную камеру (горшок) для удержания предварительно нагретого заряда. Затем плунжер передает этот заряд через бегуны и ворота в полость формы. Материал отверждается (перекрестные звенья) в нагретой пресс-форме, образуя жесткую, прочную часть, которая не может быть переплавлена.

Этот метод особенно выгоден для инкапсуляции деликатных компонентов, создания сложных геометрий со встроенными вставками и достижения жестких допусков размеров. В силовой электронике, где корпуса должны точно помещаться вокруг печатных плат, трансформаторов и конденсаторов, перемещение формования обеспечивает повторяемые результаты на производственных пробегах большого объема. Процесс преодолевает разрыв между компрессионным формованием (простые формы, более низкая стоимость) и литьем под давлением (высокая скорость, высокая точность для термопластов), что делает его предпочтительным выбором для высокопроизводительных термореактивных материалов.

Сравнение с другими технологиями литья

Трансфертная формовка vs. Инъекционная формовка

Инъекционное формование широко используется для термопластов, где материал плавится, впрыскивается в форму и охлаждается для затвердевания. Трансферное формование, напротив, использует термореактивные смолы, которые подвергаются необратимой химической реакции (отверждению) внутри нагретой формы. Эта разница дает передаточной формовке детали превосходную термостойкость и стабильность размеров после отверждения. Однако инжекторное формование обычно предлагает более быстрое время цикла для термопластов. Для силовых электронных корпусов, которые должны выдерживать повышенные рабочие температуры (часто превышающие 150°C), часто требуются термореактивные материалы, что делает трансферное формование более подходящим процессом.

Трансферная формовка vs. компрессионная формовка

Компрессионное формование предполагает размещение предварительно измеренного заряда материала непосредственно в открытую полость формы, которая затем закрывается под давлением, чтобы сжать материал в форму. При более простой и низкой стоимости компрессионное формование производит детали с меньшей плотностью и точностью размеров по сравнению с передаточной формовкой. Метод передачи обеспечивает более равномерное заполнение сложных полостей и лучший контроль над вспышкой и массой детали. Для корпусов с внутренними ребрами, боссами или вставками трансферное формование обеспечивает превосходную точность.

Трансферная формовка для инкапсуляции

Трансфертное формование также перекрывается с процессами инкапсуляции, используемыми для наращивания электронных сборок. В инкапсуляции форма непосредственно окружает и защищает такие компоненты, как трансформаторы или конденсаторы. Трансфертный поток формования с низкой вязкостью перед отверждением позволяет заполнять плотные пространства вокруг деликатных проводов и припоевых соединений без повреждения их. Это делает его стандартным подходом для производства модулей, таких как силовые агрегаты IGBT и преобразователи DC-DC.

Основные преимущества корпусов силовой электроники

Трансферное формование предлагает несколько различных преимуществ, которые непосредственно отвечают требованиям корпусов силовой электроники:

Точность и последовательность

Этот процесс дает детали с чрезвычайно жесткими допусками, часто в пределах ±0,1% размеров деталей. Эта консистенция имеет жизненно важное значение для корпусов, которые должны выровняться с портами разъемов, монтажными отверстиями или радиаторами. Как только форма будет квалифицирована, тысячи идентичных корпусов могут быть изготовлены без значительных изменений, что уменьшает проблемы сборки в производстве ниже по течению.

Сложные геометрии и тонкие особенности

Трансфер-формование превосходит производство корпусов с замысловатыми внутренними структурами, такими как оснастка, направляющие рельсы, резьбовые вставки и тонкие стены. Поскольку материал течет под контролируемым давлением, он может воспроизводить мелкие детали формы, включая текстуры поверхности и логотипы, без ущерба для механической прочности. Эта способность поддерживает тенденции миниатюризации в силовой электронике, где каждый миллиметр пространства оптимизирован.

Высшие механические и тепловые свойства

Термореактивные полимеры, используемые в литье под давлением, обладают высокой механической прочностью, ударопрочностью и жесткостью. Они также сохраняют свои свойства при температурах непрерывного обслуживания значительно выше тех, которые переносятся типичными термопластиками. Например, соединения на основе эпоксидной кислоты могут выдерживать температуры до 200°C или более, защищая внутренние компоненты в автомобильных условиях под капотом или промышленных двигателях. Сшитая структура также сопротивляется ползучести и усталости при повторном тепловом цикле.

Улучшенная защита окружающей среды

Трансфер-формованные корпуса обеспечивают прочные барьеры против влаги, солевого спрея, химического воздействия и ультрафиолетового излучения. Отвержденный материал образует плотную, непористую поверхность, которая соответствует IP67 или IP68 рейтингам защиты от проникновения при правильной конструкции. Это имеет решающее значение для силовой электроники, используемой в наружных солнечных инверторах, преобразователях ветряных турбин или морских применениях.

Уменьшение материальных отходов

В отличие от формования компрессии, где избыток материала должен быть обрезан или удален вспышкой, формование передачи минимизирует отходы, точно контролируя объем заряда. Бегуны и ворота обычно небольшие и часто могут быть переработаны или заземлены для использования в качестве наполнителя в других продуктах. Эта эффективность снижает затраты на сырье и поддерживает цели устойчивости.

Используемые материалы и их свойства

Выбор материала в литье под давлением обусловлен электрическими, тепловыми и механическими требованиями конечного корпуса.Наиболее распространенными материалами являются термореактивные полимеры, каждый из которых предлагает определенный баланс свойств.

Эпоксидные смолы

Эпоксидные формовочные соединения (ЭМС) являются наиболее широко используемыми материалами для корпусов силовой электроники. Они обеспечивают отличную адгезию к металлическим вставкам, низкую усадку во время отверждения, высокую диэлектрическую прочность (часто превышающую 20 кВ/мм) и выдающуюся химическую стойкость. Эпоксидные составы могут быть адаптированы с минеральными наполнителями (кремнезем, глинозем) для повышения теплопроводности или снижения коэффициента теплового расширения (КТЭ) для лучшего соответствия кремниевым устройствам. Они являются стандартом для инкапсулирования модулей IGBT и высоковольтных источников питания.

Силиконовые эластомеры

Соединения для формования на основе силикона выбираются для применений, требующих экстремального температурного диапазона (обычно от -55 ° C до +250° C) и высокой гибкости. Силиконы поддерживают стабильные электрические изоляционные свойства в широком диапазоне частот, что делает их пригодными для усилителей мощности радиочастот и высокочастотных преобразователей. Они также демонстрируют отличную устойчивость к разряду короны и отслеживанию, что является преимуществом в высоковольтных средах. Однако силиконы обычно имеют более низкую механическую прочность, чем эпоксидные, поэтому они часто используются для заправки, а не структурных корпусов.

Фенольные смолы

Фенолы являются одними из старейших термореактивных формовочных материалов и остаются популярными для экономичных, высокотепловых применений. Они предлагают хорошую дугостойкость, низкое поглощение воды и стабильность размеров до 150°C. Фенольные корпуса обычно встречаются в промышленных контакторах, автостартерах и компонентах распределения мощности, где стоимость является основным драйвером. Их темный цвет (обычно черный или коричневый) и способность принимать вставки делают их практичным выбором для менее требовательных корпусов силовой электроники.

Полиэстер и полиуретановые системы

Соединения для литья насыпей (BMC) на основе ненасыщенного полиэстера или полиуретана также используются в литье для передачи больших корпусов. Эти материалы обеспечивают хорошие свойства потока, умеренную термостойкость и более низкую стоимость по сравнению с эпоксидами. Они часто используются в корпусах питания для бытовой электроники или в корпусах инструментов. Их механические свойства могут быть усилены с помощью армирования стекловолокном, добавленного в соединение.

Выбор материала также должен учитывать такие факторы, как огнестойкость (UL 94 V-0 является общим), теплопроводность (особенно для корпусов, служащих в качестве теплоотводов) и совместимость с процессами пайки без свинца. Молдеры часто тесно сотрудничают с поставщиками соединений для разработки пользовательских составов, которые отвечают конкретным требованиям тепловых и электрических испытаний.

Процесс формирования трансфера: шаг за шагом

Понимание последовательности операций в формовке трансфера помогает оценить, как достигается точность и повторяемость. Хотя существуют вариации (например, перенос пластин, перенос горшка), основные этапы остаются последовательными.

Шаг 1: Подготовка материалов

Термореактивные формовочные соединения подаются в виде гранул, гранул или преформ. Материал предварительно нагревается, часто с помощью радиочастотного (RF) нагрева или инфракрасных печей, до температуры, близкой к точке плавления (но ниже начала отверждения). Предварительное нагревание смягчает материал, снижает вязкость и сокращает время, необходимое для протекания соединения в форме. Он также снижает количество силы, необходимое для передачи, сводя к минимуму износ пресса.

Шаг 2: Загрузка трансферной корзины

Подогретый заряд помещается в передаточный горшок — цилиндрическую камеру, расположенную над плесенью. Горшок обычно является частью пресса или съемного инструмента. Объем заряда точно рассчитан на заполнение полости, бегунов и ворот, с небольшой долей перелива в кармане вспышки. Это обеспечивает полное заполнение полости без чрезмерных отходов.

Шаг 3: Закрытие формы и передача материала

Плесень закрыта, и гидравлический плунжер спускается в передаточный горшок, проталкивая расплавленный материал через систему бегуна и в закрытую полость плесени. Давление переноса колеблется от 10 до 30 МПа (1500-4500 пси), в зависимости от вязкости материала и сложности полости. Скорость плунжер контролируется для предотвращения струйного движения или турбулентности, которые могут улавливать воздух или повреждать вставки. Венты вдоль линии раздвижения плесени позволяют воздуху и газам выходить.

Шаг 4: Проклятие

Плесень удерживается при типичной температуре 150-180°C (для эпоксидной связки), в то время как материал подвергается сшиванию. Время склеивания зависит от состава материала и толщины стенок деталей, в пределах от 30 секунд до нескольких минут. В течение этой фазы материал переходит из жидкости с низкой вязкостью в полностью сшитое твердое вещество. Температура пресс-формы должна быть равномерно контролируемой, чтобы обеспечить равномерное отверждение и предотвратить деформацию или неполную полимеризацию.

Шаг 5: Выброс и завершение

После отверждения отверждается форма, и выталкивающие штифты выталкивают готовый корпус из полости. Иногда может присутствовать небольшая вспышка (тонкие листы отвержденного материала, образующиеся на разделочных линиях); это удаляется путем перемешивания (подпрыгивания, абразивной среды или ручной обрезки). Проверяются вставки и резьбовые отверстия, а детали подвергаются размерным проверкам. При крупносерийном производстве автоматизированные системы обработки передают детали на вторичные операции, такие как тестирование на утечку, маркировка или упаковка.

Приложения в разных отраслях

Трансфер-формованные корпуса силовой электроники находятся в критически важных ролях в нескольких секторах:

Автомобильные и электрические транспортные средства

Современные транспортные средства содержат десятки силовых электронных модулей — инверторы, преобразователи постоянного тока, бортовые зарядные устройства и контроллеры двигателей. Для этого требуются корпуса, способные выдерживать тепло двигателя, вибрацию и дорожный мусор. Трансферные эпоксидные корпуса защищают высоковольтную электронику в гибридных и электрических силовых агрегатах, обеспечивая электрическую изоляцию и управление температурой через проводящие наполнители. Точность трансмиссионного формования также позволяет интегрировать разъемы и уплотнения непосредственно в корпус.

Возобновляемые энергетические системы

Солнечные инверторы, преобразователи ветровых турбин и системы хранения энергии работают на открытом воздухе с широкими температурными колебаниями и влажностью. Трансферные корпуса для этих применений часто предназначены для удовлетворения рейтингов NEMA 4X или IP65. Материалы разработаны с помощью УФ-стабилизаторов и гидролизостойких полимеров для поддержания производительности в течение более чем 20 лет. Соединения на основе силикона часто используются для корпусов трансформаторов в крупных инверторах коммунального масштаба.

Промышленные двигатели и автоматизация

Переменные частотные приводы (VFD) и сервоусилители требуют корпусов, которые защищают от электромагнитных помех (EMI) и обеспечивают пути охлаждения для теплогенерирующих компонентов. Трансфер-формованные корпуса с теплопроводными наполнителями (например, нитрид бора) могут выступать в качестве интегральных теплоотводов, уменьшая потребность в дополнительных алюминиевых радиаторах. Способность формовать в монтажных боссах и точках входа кабеля упрощает сборку.

Медицинские энергетические поставки

Медицинские устройства требуют корпусов с высокими расстояниями скрещивания, низкими токами утечки и биосовместимыми материалами. Трансферное формование с жидкокристаллическим полимером (LCP) или специальными эпоксидными кремниями соответствует стандартам IEC 60601 для электрической безопасности. Процесс обеспечивает безлоидную инкапсуляцию вокруг высоковольтных трансформаторов, используемых в рентгеновских генераторах и блоках питания МРТ.

Аэрокосмическая и оборонная

Силовые кондиционеры и преобразователи для самолетов и военных систем работают в экстремальных условиях: на большой высоте, быстрой декомпрессии, а также при воздействии топлива и гидравлических жидкостей. Трансфер-формованные корпуса с полиимидными или цианатными эфирными соединениями обеспечивают необходимую термостойкость (до 300 °C) и устойчивость к растворителям. Процесс также поддерживает формование сложных волноводных корпусов для радиолокационных систем.

Проектирование элементов для переноса формованных корпусов

Проектирование корпуса для переливного формования требует тщательного внимания к нескольким факторам для обеспечения технологичности и производительности:

Униформа толщины стен

Изменения толщины стен могут вызывать неравномерное отверждение, дифференциальную усадку и внутренние напряжения. В идеале секции стен должны быть максимально однородными, с переходами между толстыми и тонкими областями, выполненными с использованием постепенных сужений (без резких шагов). Для корпусов силовой электроники с длинными тонкими стенками для воздушных зазоров дизайнеры должны учитывать соотношение длины потока материала.

Дизайн ворот и бегунов

Ворота контролируют поток материала в полость. Краевые ворота, штифтовые ворота или подводные ворота являются общими. Ворота должны быть расположены так, чтобы минимизировать длину потока и избежать сварных линий в районах с высоким напряжением. Бегуны должны быть сбалансированы, чтобы обеспечить одновременное заполнение каждой полости в многополосной форме.

венчание

Правильное вентиляционное отверстие имеет решающее значение для обеспечения выхода воздуха и летучих веществ по мере заполнения формы. Глубины вентиляционных отверстий обычно составляют 0,01-0,05 мм для термореактивных установок, предназначенных для обеспечения выхода газа при предотвращении попадания материала в вентиляционные отверстия. Недостаточное вентиляционное отверстие приводит к попаданию воздуха в ловушку, вызывая короткие выстрелы или пористость, которая ставит под угрозу электрическую изоляцию.

Включить размещение и удержание

Металлические вставки (орехи, шпильки, штифты) часто формуют в корпуса для монтажа или электрического соединения. Они должны надежно удерживаться в пресс-форме для предотвращения смещения во время передачи. Такие особенности, как кёрлинг, подрезы или отверстия в вставке, позволяют формовочному соединению механически сцепляться после отверждения. Разница в тепловом расширении между вставкой и соединением пресс-формы должна учитываться для предотвращения растрескивания во время отверждения или теплового цикла.

Углы и разделительные линии

На вертикальных стенках рекомендуется использовать наклонные углы 1-3 градуса для облегчения выталкивания. Расстояние между перегородками должно располагаться на плоской поверхности, а не на критической площади уплотнения. Углы должны иметь радиусы не менее 0,5 мм для снижения концентраций напряжений и улучшения потока материала.

Контроль качества и испытания

Обеспечение надежности корпусов, формованных для переноса, включает в себя несколько испытаний на протяжении всего производства:

  • Механизм измерения: Координатные измерительные машины (CMM) или оптические компараторы проверяют критические размеры по сравнению с моделями САПР.
  • Диэлектрическое испытание прочности: Ограждения подвергаются воздействию высокого напряжения (обычно 2-5 кВ для силовой электроники) для подтверждения целостности изоляции.
  • Тепловые циклы: Части циклируются между температурными крайностями (например, от -40 °C до +150°C) для прогнозирования долгосрочной долговечности и обнаружения деламинации или растрескивания.
  • Тестирование защиты от проникновения (IP): Собранные корпуса подвергаются испытаниям на пыле- и водораспыление для проверки уплотнения в соответствии с такими стандартами, как IEC 60529.
  • Испытания на огнеопасность: Испытания UL 94 или IEC 60695 оценивают огнестойкость корпуса — критическое требование для безопасности в силовой электронике.
  • Механические испытания: Испытания на удар, растяжение и гибкость обеспечивают, чтобы корпус выдерживал сборочные и эксплуатационные нагрузки.

Статистический контроль процессов (SPC) по таким параметрам, как давление переноса, температура плесени и время отверждения, помогает поддерживать согласованность в различных прогонах. В некоторых приложениях с высокой надежностью каждая часть отслеживается с помощью лазерной маркировки или двумерных штрих-кодов.

Будущие тенденции в трансфертном формовании

Трансферное формование продолжает развиваться наряду с достижениями в области материаловедения и автоматизации:

Автоматизация и Индустрия 4.0

Роботизированная обработка преформ, вставок и готовых деталей сокращает время цикла и устраняет ошибки ручного управления. Датчики контролируют давление и температуру полости в режиме реального времени, подавая данные алгоритмам машинного обучения, оптимизирующим параметры процесса для каждого кадра. Эта тенденция к формовке на основе данных улучшает выходы и уменьшает отходы.

Высокотемпературные соединения проводимости

По мере увеличения плотности мощности корпуса должны не только защищать, но и рассеивать тепло. Новые технологии наполнителей, такие как алмазные или графитовые наноагрегаты, встраиваются в формовочные соединения для достижения теплопроводности выше 10 Вт / м·К, сопоставимой с керамикой из оксида алюминия. Это позволяет корпусам удвоиться в качестве распределителей тепла, исключая дополнительные материалы теплового интерфейса.

Низко-порочные формулы

Достижения в аддитивной технологии снижают вязкость формовочных соединений при передаче, позволяя лучше смачивать вставки и меньше захватывать воздух. Вакуумно-ассистивное формование для переноса (VATM) получает распространение для аэрокосмических применений, где требуется содержание пустоты ниже 1%. В сочетании с улучшенной конструкцией затвора эти методы производят более плотные, более надежные корпуса.

Устойчивые материалы

В качестве альтернативы соединениям на основе нефти разрабатываются термореактивные смолы на биооснове, полученные из лигнина, ореховой скорлупы кешью или соевого масла. Эти материалы обеспечивают аналогичную производительность с более низким углеродным следом. Для закрытия петли материала также исследуются переработанные наполнители и усиленные соединения из электроники конца срока службы.

Заключение

Трансфертное формование остается важным производственным методом для корпусов силовой электроники, предлагая непревзойденную точность, гибкость материала и долговечность. Его способность производить сложные, высокотолерантные детали из передовых термореактивных соединений делает его незаменимым для приложений, начиная от автомобильных инверторов до аэрокосмических силовых модулей. По мере того, как электрическая мобильность, возобновляемая энергия и промышленная автоматизация будут продолжать расширяться, спрос на надежные решения для корпусов будет расти. Технологии трансфертного формования, поддерживаемые новыми материалами и умными производственными практиками, готовы решать эти проблемы лоб в лоб, что позволяет следующему поколению эффективных и надежных силовых электронных систем.

Для получения дополнительной информации о процессах термореактивного формования и выборе материала, проконсультируйтесь с такими ресурсами, как Завершение продукта онлайн-статья о литье под давлением , обзор Пластическая технология формования и Электронное охлаждение статья о термическом управлении с использованием соединений для формования под давлением .