Composés d'encapsulation thermiquement conducteurs : explication des valeurs λ
Lorsque les composants électroniques de puissance surchauffent, même le meilleur dissipateur thermique ne peut rien faire si la chaleur ne peut pas s'échapper du composant moulé. C'est précisément ce que permettent les composés d'encapsulation thermoconducteurs à haute valeur λ. Ils protègent les composants électroniques des influences environnementales tout en dissipant de manière ciblée la chaleur perdue. Mais que signifie concrètement la valeur λ, quelles charges augmentent la conductivité thermique et quand l'utilisation de composés d'encapsulation thermoconducteurs est-elle rentable ?
Table des matières
- Pourquoi la conductivité thermique est-elle déterminante pour les composés d'encapsulation ?
- Qu'est-ce que la valeur λ (lambda) ?
- Conseil pratique : valeur λ contre résistance thermique
- Comparaison : scellement standard vs thermoconducteur
- Les charges et leur effet
- Applications
- Critères de sélection : déterminer la valeur λ correcte
- Conseils d'utilisation
- Foire aux questions (FAQ)
- Conclusion
Pourquoi la conductivité thermique est-elle déterminante pour les composés d'encapsulation ?
Les composants électroniques modernes fonctionnent dans des espaces toujours plus réduits avec des densités de puissance croissantes. Les pilotes LED, les convertisseurs CC/CC, les systèmes de gestion de batterie ou les contrôleurs de moteur génèrent une chaleur perdue qui doit être dissipée. Les composés d'encapsulation standard à base d'époxy ou de silicone offrent certes une excellente protection contre l'humidité, les produits chimiques et les contraintes mécaniques, mais ils ont généralement un effet plutôt isolant sur le plan thermique.
Les conséquences d'une dissipation thermique insuffisante sont mesurables. Une température de fonctionnement plus élevée accélère considérablement le vieillissement des composants électroniques. Une règle empirique fréquemment utilisée stipule que dans de nombreux cas, une augmentation de température de 10 K peut réduire de moitié la durée de vie. L'effet exact dépend toutefois du composant et du mécanisme de défaillance dominant.
De plus, des points chauds apparaissent lorsque la chaleur n'est pas répartie uniformément. Les composants de puissance doivent être bridés (déclassement), ce qui empêche les systèmes d'atteindre leur pleine puissance. Dans les applications critiques telles que les batteries de mobilité électrique ou les modules LED haute puissance , la surchauffe peut entraîner des pannes ou des risques pour la sécurité.
Les composés d'encapsulation thermoconducteurs résolvent ce problème en contenant des charges thermoconductrices. Celles-ci forment des chemins de conduction thermique dans la matrice polymère et permettent le transfert de chaleur du composant vers les structures adjacentes telles que le boîtier, le support ou les surfaces de refroidissement. Les formulations modernes combinent ainsi la fonction protectrice des composés d'encapsulation classiques avec une gestion thermique active.
Qu'est-ce que la valeur λ (lambda) ?
La valeur λ, également appelée conductivité thermique, décrit la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. L'unité physique est le watt par mètre et kelvin (W/m·K). Une valeur λ plus élevée signifie une meilleure conduction thermique.
À titre de comparaison, valeurs λ typiques :
- Cuivre : environ 390 W/m·K (très bon conducteur thermique)
- Aluminium : environ 235 W/m·K
- Résine époxy standard : environ 0,2 à 0,3 W/m·K
- Silicone standard : environ 0,15 à 0,25 W/m·K
- Composé d'encapsulation thermoconducteur : environ 0,5 à 3,0 W/m·K (plage typique)
- Pâte thermique haute performance : nettement plus élevée selon le système
La conductivité thermique est déterminée à l'aide de méthodes d'essai normalisées. Selon le système de matériaux et le laboratoire d'essai, différentes méthodes sont utilisées, par exemple des méthodes stationnaires ou transitoires. Il est important de noter que les valeurs λ ne sont comparables que dans le contexte de la méthodologie d'essai, de la température, de l'état de l'échantillon et des conditions de durcissement .
Important pour la pratique : les données du fabricant concernant les valeurs λ ne sont directement comparables que de manière limitée si la méthode d'essai, la température, la géométrie de l'échantillon ou les conditions de durcissement sont différentes.
Conseil pratique : valeur λ contre résistance thermique
La valeur λ est une propriété du matériau, mais elle ne donne aucune indication sur l'effet de refroidissement réel dans le composant. La résistance thermique Rth de l'ensemble de la couche d'encapsulation est déterminante :
Rth = d / (λ × A)
Où d est l'épaisseur de la couche et A la surface de transfert thermique. Une couche de 5 mm d'épaisseur avec λ = 1 W/m·K dissipe moins bien la chaleur qu'une couche de 2 mm d'épaisseur avec λ = 0,8 W/m·K. Optimisez donc non seulement le matériau, mais aussi la géométrie.
Outre λ, l'épaisseur de la couche et la surface, les interfaces, les inclusions d'air (vides) et les effets géométriques influencent également la résistance thermique réelle. Dans la pratique, la dissipation thermique effective est donc souvent moins bonne que ne le laisse supposer un calcul 1D idéal.
La valeur λ n'est pas tout
- Conductivité thermique du matériau (λ)
- Épaisseur de la couche de mastic
- Surface de contact effective
- Résistances de contact aux interfaces
- Inclusions d'air / bulles
- Géométrie des composants et répartition thermique
- Profil de température en fonctionnement
Comparaison : scellement standard vs thermoconducteur
Les différences entre les composés d'encapsulation conventionnels et thermoconducteurs vont au-delà de la valeur λ. Comparaison des profils de propriétés typiques :
| propriété | Composé d'encapsulation standard | Composé d'encapsulation thermiquement conducteur |
|---|---|---|
| Conductivité thermique λ | 0,2 à 0,3 W/m·K | 0,6 à 3,0 W/m·K (typique) |
| teneur en charges | 0 à 20 % en poids | 40 à 75 % en poids |
| Viscosité (non durci) | 1 000 à 10 000 mPa·s | 10 000 à 80 000 mPa·s |
| Dureté Shore (durci) | Shore A 30 à 80 | Shore A 50 à 90 ou Shore D 30 à 60 |
| densité | 1,0 à 1,2 g/cm³ | 1,8 à 2,8 g/cm³ |
| traitement | Versement, dosage, vide en option | L'homogénéisation est importante, le dégazage est souvent recommandé, une technique de dosage adaptée est utile. |
| Prix (relatif) | plus bas | plus élevé |
La teneur élevée en charges des composés d'encapsulation thermoconducteurs pose certains défis. La viscosité augmente considérablement, ce qui complique la purge et le dosage. La densité plus élevée nécessite souvent des systèmes de dosage adaptés. Selon la formulation et les conditions de stockage, une ségrégation ou une sédimentation peut également se produire.
Le risque de sédimentation dépend fortement de la viscosité, de la thixotropie, de la répartition des particules et de la durée de stockage. Tous les systèmes ne présentent pas une séparation critique dans la fenêtre pratique. Une homogénéisation minutieuse avant la mise en œuvre reste néanmoins obligatoire.
En contrepartie, on obtient une dissipation thermique nettement améliorée tout en conservant généralement une bonne capacité d'isolation électrique, à condition d'utiliser des charges électriquement isolantes.
Les charges et leur effet
La conductivité thermique d'un composé d'encapsulation dépend directement du type, de la quantité, de la forme et de la répartition des charges utilisées. Les matrices polymères telles que l'époxy, le silicone ou le polyuréthane sont de mauvais conducteurs thermiques. Seules les charges créent des chemins de conduction thermique continus.
Oxyde d'aluminium (Al2O3)
L'oxyde d'aluminium est l'une des charges les plus utilisées pour les composés d'encapsulation thermoconducteurs. Il offre un bon rapport qualité-prix et permet souvent d'obtenir des valeurs λ comprises entre environ 0,8 et 1,5 W/m·K à des taux de remplissage élevés. Les particules sont électriquement isolantes, chimiquement inertes et disponibles en différentes tailles de grains. La combinaison de différentes tailles de particules (distributions bimodales ou multimodales) permet d'améliorer la densité de tassement.
Nitrure de bore (BN)
Le nitrure de bore hexagonal est souvent appelé « graphite blanc » et présente une anisotropie thermique prononcée. La chaleur est nettement mieux conduite le long de certains plans cristallins. Cela permet d'atteindre des valeurs λ plus élevées selon la formulation, souvent associées à des propriétés électriques favorables pour certaines applications électroniques.
Les inconvénients sont le prix nettement plus élevé des matériaux et une mise en œuvre plus complexe. Les particules en forme de plaquettes peuvent s'orienter, ce qui influence le comportement réel de la conduction thermique dans différentes directions.
Nitrure d'aluminium (AlN)
La nitrure d'aluminium est une charge céramique très performante qui présente une conductivité thermique intrinsèque élevée. Les composés d'encapsulation contenant de l'AlN peuvent atteindre des valeurs λ élevées tout en conservant leurs propriétés d'isolation électrique. Leurs principaux inconvénients sont leur coût élevé et leur sensibilité à l'humidité dans la chaîne de transformation.
Charges métalliques (par exemple argent, aluminium)
Les charges métalliques peuvent augmenter considérablement la conductivité thermique, mais entraînent souvent une conductivité électrique ou, à tout le moins, une réduction significative de l'isolation. De tels systèmes ne conviennent généralement pas aux applications d'encapsulation isolantes classiques, mais peuvent s'avérer utiles dans des applications spéciales liées à la CEM ou à la masse.
Applications
Les composés d'encapsulation thermiquement conducteurs sont utilisés partout où les composants électroniques doivent être à la fois protégés et refroidis.
Éclairage LED et LED haute puissance
Les modules LED sont sensibles à l'augmentation de la température de la jonction. Celle-ci influence la luminosité, la couleur et la durée de vie. Les composés d'encapsulation thermoconducteurs peuvent protéger les modules LED tout en améliorant le transfert de chaleur vers les structures de refroidissement. Selon la conception, on utilise des systèmes flexibles à base de silicone ou des systèmes plus durs à base de résine.
Électronique de puissance et convertisseurs de fréquence
Les modules IGBT, les circuits MOSFET et les convertisseurs CC/CC génèrent une chaleur perdue importante pendant leur fonctionnement. Les composés d'encapsulation thermiquement conducteurs contribuent à réduire les points chauds et à améliorer la répartition de la température. Ils offrent également une protection contre l'humidité, la saleté et les contraintes mécaniques.
Mobilité électrique : systèmes de gestion des batteries et électronique de charge
Les applications automobiles imposent des exigences élevées en matière de plage de température, de résistance aux vibrations, de résistance aux fluides et de stabilité à long terme. Les composés d'encapsulation thermiquement conducteurs sont utilisés, entre autres, dans l'électronique BMS, les capteurs et l'électronique de charge. Selon le cahier des charges, des exigences supplémentaires telles que les classifications ignifuges ou les homologations spéciales peuvent être pertinentes.
Blocs d'alimentation et alimentations électriques
Les alimentations à découpage combinent une densité élevée de composants et une charge thermique permanente. Un moulage thermoconducteur peut conduire la chaleur de manière ciblée vers les boîtiers métalliques ou les plaques de base tout en protégeant le module contre les influences environnementales. Dans le cas de géométries complexes, la durée de vie en pot, le comportement d'écoulement et le dégazage sont particulièrement importants.
Critères de sélection : déterminer la valeur λ correcte
Une conductivité thermique plus élevée semble toujours meilleure à première vue. Dans la pratique, cependant, une valeur λ plus élevée s'accompagne souvent de coûts plus élevés, d'un traitement plus difficile et, dans certains cas, d'une dureté mécanique plus élevée. Le choix des matériaux doit donc être basé sur une analyse thermique.
-
Déterminer la puissance dissipée
Quelle puissance thermique P (en watts) doit être dissipée ? Les fiches techniques, les simulations ou les mesures en fonctionnement constituent le point de départ. -
Déterminer la différence de température admissible
Quelle différence de température ΔT entre le composant et la structure de refroidissement est admissible ? En fonction de l'application, elle est généralement de quelques dizaines de kelvins. -
Calculer la résistance thermique maximale
Rth = ΔT / P (unité : K/W) -
Estimer la valeur λrequise
λ = d / (Rth × A)
Où d est l'épaisseur de la couche en mètres et A la surface de transfert thermique en mètres carrés. Un coefficient de sécurité (par exemple 1,3 à 1,5) est utile pour tenir compte des tolérances, des vides et du vieillissement.
exemple de calcul
Un module LED génère 10 W de perte thermique. La chaleur doit être dissipée via une couche de mastic de 5 mm d'épaisseur et d'une surface de 50 cm². Différence de température admissible : 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Avec un coefficient de sécurité de 1,4, on obtient λ ≥ 0,46 W/m·K.
Un composé de scellement avec λ = 0,8 W/m·K serait ici suffisant dans de nombreux cas, à condition que la qualité du contact, la géométrie et la dissipation thermique dans l'ensemble du système soient adaptées.
Autres critères de sélection
- Résistance chimique (par exemple aux liquides de refroidissement, huiles, produits de nettoyage)
- Plage de température et résistance aux changements de température
- Dureté Shore et découplage mécanique (vibrations, chocs)
- Caractéristiques d'isolation électrique (par exemple, résistance diélectrique, CTI selon l'application)
- Facilité de mise en œuvre (durée de vie en pot, miscibilité, désaération, dosabilité)
- Adhérence sur les substrats pertinents
- CTE et accumulation de tension lors des changements de température
- Homologations et exigences réglementaires (par exemple UL, REACH, RoHS, homologations spécifiques à certaines applications)
- Exigences de réusinage / démontabilité
Conseils d'utilisation
La viscosité élevée et la forte teneur en charges des composés d'encapsulation thermiquement conducteurs nécessitent des techniques de traitement adaptées. Même un matériau présentant une bonne valeur λ peut, dans la pratique, offrir de mauvaises performances s'il n'est pas correctement traité en raison de la présence de vides ou d'un mouillage incomplet.
Mélanger et homogénéiser
Les charges peuvent se séparer ou sédimenter pendant le stockage et le transport. Il est important de bien les homogénéiser avant leur mise en œuvre. Dans le cas des systèmes à deux composants, il convient d'abord d'homogénéiser les deux composants séparément avant de les mélanger. Une technique d'agitation appropriée améliore la répartition des charges et réduit les variations entre les lots lors de la mise en œuvre.
dégazage sous vide
Les poches d'air nuisent considérablement à l'efficacité de la conduction thermique, car l'air présente une très faible conductivité thermique. Un dégazage après le mélange peut améliorer considérablement la qualité du moulage. Pour les volumes importants ou les assemblages critiques, il peut également être judicieux de procéder à un moulage sous vide.
Dosage et comportement à l'écoulement
Les systèmes thermoconducteurs sont souvent nettement plus visqueux que les composés d'encapsulation standard. Pour les matériaux hautement chargés, il est souvent avantageux d'utiliser des systèmes de pompage et de dosage adaptés. Dans le cas d'assemblages complexes, le matériau doit être introduit de manière à permettre à l'air de s'échapper de manière contrôlée. Une température modérée peut améliorer la fluidité, mais réduit la durée de vie en pot selon le système.
durcissement
Les systèmes de résine réactifs peuvent générer une exothermie importante, en particulier pour les volumes d'encapsulation importants. La forte proportion de charge influence le bilan thermique et le déroulement de la réaction. Le cas échéant, il peut être judicieux d'opter pour un durcissement progressif ou des systèmes plus lents.
Les composés d'encapsulation à base de silicone présentent généralement une exothermie nettement inférieure à celle de nombreux systèmes époxy, ce qui peut être avantageux pour les processus impliquant des volumes d'encapsulation importants.
Traitement ultérieur et contrôle qualité
Une fois le durcissement terminé, il convient de vérifier la qualité du scellement, par exemple en effectuant un contrôle visuel à la recherche de bulles, un test de dureté, un contrôle du poids ou de la densité, ainsi qu'une thermographie sous charge afin de vérifier la dissipation thermique. Pour les applications critiques en matière de sécurité, il est judicieux de réaliser des tests électriques et mécaniques supplémentaires.
Foire aux questions (FAQ)
Puis-je retirer ultérieurement un composé d'encapsulation thermoconducteur ?
Cela n'est possible que dans une certaine mesure. Les systèmes en silicone souple sont souvent plus faciles à retirer mécaniquement que les époxydes durs. Cependant, les systèmes entièrement durcis et hautement chargés ne peuvent souvent être retirés qu'au prix d'efforts considérables et peuvent endommager les composants. Si une réparation est prévue, cela doit être pris en compte dès le choix du matériau.
Dans quelle mesure une valeur λ plus élevée améliore-t-elle réellement le refroidissement ?
Une valeur λ plus élevée améliore la conduction thermique dans le matériau, mais pas automatiquement la puissance de refroidissement globale. L'épaisseur de la couche, la qualité du contact, les bulles d'air, la géométrie et la dissipation thermique ultérieure dans le système sont également déterminantes. La résistance thermique de l'ensemble du circuit thermique est déterminante.
Pourquoi les composés d'encapsulation thermoconducteurs coûtent-ils nettement plus cher que les composés d'encapsulation standard ?
Les principaux facteurs de coût sont les charges thermoconductrices et les coûts plus élevés liés à la formulation et au traitement. Les taux de remplissage élevés augmentent la viscosité et la densité et imposent des exigences plus élevées en matière de technologie de mélange, de dégazage et de dosage.
Puis-je utiliser un composé d'encapsulation thermiquement conducteur avec un équipement standard ?
Pour de petites quantités et des géométries simples, cela est en partie possible. Dans le cas de systèmes fortement remplis, une bonne homogénéisation, une technique de dosage appropriée et, si possible, un dégazage sont importants pour obtenir des résultats reproductibles sans inclusions d'air.
Une valeur λ élevée est-elle toujours le meilleur choix ?
Non. Des valeurs λ plus élevées impliquent souvent des coûts plus élevés, une viscosité plus élevée et un traitement plus difficile. Dans de nombreuses applications, un système propre avec une valeur λ modérée est la solution la plus économique et techniquement suffisante.
Conclusion : améliorer de manière mesurable les performances thermiques
Les composés d'encapsulation thermoconducteurs sont plus qu'une simple amélioration. Ils permettent de concevoir des composants électroniques qui ne fonctionneraient pas de manière fiable sur le plan thermique avec un encapsulage standard. La valeur λ décrit la capacité du matériau, mais l'effet de refroidissement réel dépend du chemin thermique global.
Les systèmes chargés en oxyde d'aluminium offrent un bon rapport qualité-prix pour de nombreuses applications. Les systèmes à base de nitrure de bore et de nitrure d'aluminium sont particulièrement intéressants lorsque des performances thermiques élevées ou des propriétés électriques spécifiques sont requises.
Le traitement nécessite plus de soin que pour un scellement standard. L'homogénéisation, le dégazage et une technique de dosage adaptée sont déterminants pour obtenir des résultats reproductibles. Les avantages sont mesurables : températures des composants plus basses, durée de vie plus longue, performances du système plus élevées et meilleure fiabilité.
Lors du choix, la règle suivante s'applique : autant de conductivité thermique que nécessaire, pas autant que possible. Une analyse thermique claire permet d'éviter la suringénierie et de maintenir les coûts dans des limites raisonnables.
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- Sélection en fonction de la température, de la mécanique et de la résistance aux fluides
- Classification des valeurs λ dans le contexte de l'application
- Remarques concernant la mise en œuvre (mélange, dégazage, dosage)
- Échantillonnage pour les tests et la validation
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Lorsque les composants électroniques de puissance surchauffent, même le meilleur dissipateur thermique ne peut rien faire si la chaleur ne peut pas s'échapper du composant moulé. C'est précisément ce que permettent les composés d'encapsulation thermoconducteurs à haute valeur λ. Ils protègent les composants électroniques des influences environnementales tout en dissipant de manière ciblée la chaleur perdue. Mais que signifie concrètement la valeur λ, quelles charges augmentent la conductivité thermique et quand l'utilisation de composés d'encapsulation thermoconducteurs est-elle rentable ?
Table des matières
- Pourquoi la conductivité thermique est-elle déterminante pour les composés d'encapsulation ?
- Qu'est-ce que la valeur λ (lambda) ?
- Conseil pratique : valeur λ contre résistance thermique
- Comparaison : scellement standard vs thermoconducteur
- Les charges et leur effet
- Applications
- Critères de sélection : déterminer la valeur λ correcte
- Conseils d'utilisation
- Foire aux questions (FAQ)
- Conclusion
Pourquoi la conductivité thermique est-elle déterminante pour les composés d'encapsulation ?
Les composants électroniques modernes fonctionnent dans des espaces toujours plus réduits avec des densités de puissance croissantes. Les pilotes LED, les convertisseurs CC/CC, les systèmes de gestion de batterie ou les contrôleurs de moteur génèrent une chaleur perdue qui doit être dissipée. Les composés d'encapsulation standard à base d'époxy ou de silicone offrent certes une excellente protection contre l'humidité, les produits chimiques et les contraintes mécaniques, mais ils ont généralement un effet plutôt isolant sur le plan thermique.
Les conséquences d'une dissipation thermique insuffisante sont mesurables. Une température de fonctionnement plus élevée accélère considérablement le vieillissement des composants électroniques. Une règle empirique fréquemment utilisée stipule que dans de nombreux cas, une augmentation de température de 10 K peut réduire de moitié la durée de vie. L'effet exact dépend toutefois du composant et du mécanisme de défaillance dominant.
De plus, des points chauds apparaissent lorsque la chaleur n'est pas répartie uniformément. Les composants de puissance doivent être bridés (déclassement), ce qui empêche les systèmes d'atteindre leur pleine puissance. Dans les applications critiques telles que les batteries de mobilité électrique ou les modules LED haute puissance , la surchauffe peut entraîner des pannes ou des risques pour la sécurité.
Les composés d'encapsulation thermoconducteurs résolvent ce problème en contenant des charges thermoconductrices. Celles-ci forment des chemins de conduction thermique dans la matrice polymère et permettent le transfert de chaleur du composant vers les structures adjacentes telles que le boîtier, le support ou les surfaces de refroidissement. Les formulations modernes combinent ainsi la fonction protectrice des composés d'encapsulation classiques avec une gestion thermique active.
Qu'est-ce que la valeur λ (lambda) ?
La valeur λ, également appelée conductivité thermique, décrit la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. L'unité physique est le watt par mètre et kelvin (W/m·K). Une valeur λ plus élevée signifie une meilleure conduction thermique.
À titre de comparaison, valeurs λ typiques :
- Cuivre : environ 390 W/m·K (très bon conducteur thermique)
- Aluminium : environ 235 W/m·K
- Résine époxy standard : environ 0,2 à 0,3 W/m·K
- Silicone standard : environ 0,15 à 0,25 W/m·K
- Composé d'encapsulation thermoconducteur : environ 0,5 à 3,0 W/m·K (plage typique)
- Pâte thermique haute performance : nettement plus élevée selon le système
La conductivité thermique est déterminée à l'aide de méthodes d'essai normalisées. Selon le système de matériaux et le laboratoire d'essai, différentes méthodes sont utilisées, par exemple des méthodes stationnaires ou transitoires. Il est important de noter que les valeurs λ ne sont comparables que dans le contexte de la méthodologie d'essai, de la température, de l'état de l'échantillon et des conditions de durcissement .
Important pour la pratique : les données du fabricant concernant les valeurs λ ne sont directement comparables que de manière limitée si la méthode d'essai, la température, la géométrie de l'échantillon ou les conditions de durcissement sont différentes.
Conseil pratique : valeur λ contre résistance thermique
La valeur λ est une propriété du matériau, mais elle ne donne aucune indication sur l'effet de refroidissement réel dans le composant. La résistance thermique Rth de l'ensemble de la couche d'encapsulation est déterminante :
Rth = d / (λ × A)
Où d est l'épaisseur de la couche et A la surface de transfert thermique. Une couche de 5 mm d'épaisseur avec λ = 1 W/m·K dissipe moins bien la chaleur qu'une couche de 2 mm d'épaisseur avec λ = 0,8 W/m·K. Optimisez donc non seulement le matériau, mais aussi la géométrie.
Outre λ, l'épaisseur de la couche et la surface, les interfaces, les inclusions d'air (vides) et les effets géométriques influencent également la résistance thermique réelle. Dans la pratique, la dissipation thermique effective est donc souvent moins bonne que ne le laisse supposer un calcul 1D idéal.
La valeur λ n'est pas tout
- Conductivité thermique du matériau (λ)
- Épaisseur de la couche de mastic
- Surface de contact effective
- Résistances de contact aux interfaces
- Inclusions d'air / bulles
- Géométrie des composants et répartition thermique
- Profil de température en fonctionnement
Comparaison : scellement standard vs thermoconducteur
Les différences entre les composés d'encapsulation conventionnels et thermoconducteurs vont au-delà de la valeur λ. Comparaison des profils de propriétés typiques :
| propriété | Composé d'encapsulation standard | Composé d'encapsulation thermiquement conducteur |
|---|---|---|
| Conductivité thermique λ | 0,2 à 0,3 W/m·K | 0,6 à 3,0 W/m·K (typique) |
| teneur en charges | 0 à 20 % en poids | 40 à 75 % en poids |
| Viscosité (non durci) | 1 000 à 10 000 mPa·s | 10 000 à 80 000 mPa·s |
| Dureté Shore (durci) | Shore A 30 à 80 | Shore A 50 à 90 ou Shore D 30 à 60 |
| densité | 1,0 à 1,2 g/cm³ | 1,8 à 2,8 g/cm³ |
| traitement | Versement, dosage, vide en option | L'homogénéisation est importante, le dégazage est souvent recommandé, une technique de dosage adaptée est utile. |
| Prix (relatif) | plus bas | plus élevé |
La teneur élevée en charges des composés d'encapsulation thermoconducteurs pose certains défis. La viscosité augmente considérablement, ce qui complique la purge et le dosage. La densité plus élevée nécessite souvent des systèmes de dosage adaptés. Selon la formulation et les conditions de stockage, une ségrégation ou une sédimentation peut également se produire.
Le risque de sédimentation dépend fortement de la viscosité, de la thixotropie, de la répartition des particules et de la durée de stockage. Tous les systèmes ne présentent pas une séparation critique dans la fenêtre pratique. Une homogénéisation minutieuse avant la mise en œuvre reste néanmoins obligatoire.
En contrepartie, on obtient une dissipation thermique nettement améliorée tout en conservant généralement une bonne capacité d'isolation électrique, à condition d'utiliser des charges électriquement isolantes.
Les charges et leur effet
La conductivité thermique d'un composé d'encapsulation dépend directement du type, de la quantité, de la forme et de la répartition des charges utilisées. Les matrices polymères telles que l'époxy, le silicone ou le polyuréthane sont de mauvais conducteurs thermiques. Seules les charges créent des chemins de conduction thermique continus.
Oxyde d'aluminium (Al2O3)
L'oxyde d'aluminium est l'une des charges les plus utilisées pour les composés d'encapsulation thermoconducteurs. Il offre un bon rapport qualité-prix et permet souvent d'obtenir des valeurs λ comprises entre environ 0,8 et 1,5 W/m·K à des taux de remplissage élevés. Les particules sont électriquement isolantes, chimiquement inertes et disponibles en différentes tailles de grains. La combinaison de différentes tailles de particules (distributions bimodales ou multimodales) permet d'améliorer la densité de tassement.
Nitrure de bore (BN)
Le nitrure de bore hexagonal est souvent appelé « graphite blanc » et présente une anisotropie thermique prononcée. La chaleur est nettement mieux conduite le long de certains plans cristallins. Cela permet d'atteindre des valeurs λ plus élevées selon la formulation, souvent associées à des propriétés électriques favorables pour certaines applications électroniques.
Les inconvénients sont le prix nettement plus élevé des matériaux et une mise en œuvre plus complexe. Les particules en forme de plaquettes peuvent s'orienter, ce qui influence le comportement réel de la conduction thermique dans différentes directions.
Nitrure d'aluminium (AlN)
La nitrure d'aluminium est une charge céramique très performante qui présente une conductivité thermique intrinsèque élevée. Les composés d'encapsulation contenant de l'AlN peuvent atteindre des valeurs λ élevées tout en conservant leurs propriétés d'isolation électrique. Leurs principaux inconvénients sont leur coût élevé et leur sensibilité à l'humidité dans la chaîne de transformation.
Charges métalliques (par exemple argent, aluminium)
Les charges métalliques peuvent augmenter considérablement la conductivité thermique, mais entraînent souvent une conductivité électrique ou, à tout le moins, une réduction significative de l'isolation. De tels systèmes ne conviennent généralement pas aux applications d'encapsulation isolantes classiques, mais peuvent s'avérer utiles dans des applications spéciales liées à la CEM ou à la masse.
Applications
Les composés d'encapsulation thermiquement conducteurs sont utilisés partout où les composants électroniques doivent être à la fois protégés et refroidis.
Éclairage LED et LED haute puissance
Les modules LED sont sensibles à l'augmentation de la température de la jonction. Celle-ci influence la luminosité, la couleur et la durée de vie. Les composés d'encapsulation thermoconducteurs peuvent protéger les modules LED tout en améliorant le transfert de chaleur vers les structures de refroidissement. Selon la conception, on utilise des systèmes flexibles à base de silicone ou des systèmes plus durs à base de résine.
Électronique de puissance et convertisseurs de fréquence
Les modules IGBT, les circuits MOSFET et les convertisseurs CC/CC génèrent une chaleur perdue importante pendant leur fonctionnement. Les composés d'encapsulation thermiquement conducteurs contribuent à réduire les points chauds et à améliorer la répartition de la température. Ils offrent également une protection contre l'humidité, la saleté et les contraintes mécaniques.
Mobilité électrique : systèmes de gestion des batteries et électronique de charge
Les applications automobiles imposent des exigences élevées en matière de plage de température, de résistance aux vibrations, de résistance aux fluides et de stabilité à long terme. Les composés d'encapsulation thermiquement conducteurs sont utilisés, entre autres, dans l'électronique BMS, les capteurs et l'électronique de charge. Selon le cahier des charges, des exigences supplémentaires telles que les classifications ignifuges ou les homologations spéciales peuvent être pertinentes.
Blocs d'alimentation et alimentations électriques
Les alimentations à découpage combinent une densité élevée de composants et une charge thermique permanente. Un moulage thermoconducteur peut conduire la chaleur de manière ciblée vers les boîtiers métalliques ou les plaques de base tout en protégeant le module contre les influences environnementales. Dans le cas de géométries complexes, la durée de vie en pot, le comportement d'écoulement et le dégazage sont particulièrement importants.
Critères de sélection : déterminer la valeur λ correcte
Une conductivité thermique plus élevée semble toujours meilleure à première vue. Dans la pratique, cependant, une valeur λ plus élevée s'accompagne souvent de coûts plus élevés, d'un traitement plus difficile et, dans certains cas, d'une dureté mécanique plus élevée. Le choix des matériaux doit donc être basé sur une analyse thermique.
-
Déterminer la puissance dissipée
Quelle puissance thermique P (en watts) doit être dissipée ? Les fiches techniques, les simulations ou les mesures en fonctionnement constituent le point de départ. -
Déterminer la différence de température admissible
Quelle différence de température ΔT entre le composant et la structure de refroidissement est admissible ? En fonction de l'application, elle est généralement de quelques dizaines de kelvins. -
Calculer la résistance thermique maximale
Rth = ΔT / P (unité : K/W) -
Estimer la valeur λrequise
λ = d / (Rth × A)
Où d est l'épaisseur de la couche en mètres et A la surface de transfert thermique en mètres carrés. Un coefficient de sécurité (par exemple 1,3 à 1,5) est utile pour tenir compte des tolérances, des vides et du vieillissement.
exemple de calcul
Un module LED génère 10 W de perte thermique. La chaleur doit être dissipée via une couche de mastic de 5 mm d'épaisseur et d'une surface de 50 cm². Différence de température admissible : 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Avec un coefficient de sécurité de 1,4, on obtient λ ≥ 0,46 W/m·K.
Un composé de scellement avec λ = 0,8 W/m·K serait ici suffisant dans de nombreux cas, à condition que la qualité du contact, la géométrie et la dissipation thermique dans l'ensemble du système soient adaptées.
Autres critères de sélection
- Résistance chimique (par exemple aux liquides de refroidissement, huiles, produits de nettoyage)
- Plage de température et résistance aux changements de température
- Dureté Shore et découplage mécanique (vibrations, chocs)
- Caractéristiques d'isolation électrique (par exemple, résistance diélectrique, CTI selon l'application)
- Facilité de mise en œuvre (durée de vie en pot, miscibilité, désaération, dosabilité)
- Adhérence sur les substrats pertinents
- CTE et accumulation de tension lors des changements de température
- Homologations et exigences réglementaires (par exemple UL, REACH, RoHS, homologations spécifiques à certaines applications)
- Exigences de réusinage / démontabilité
Conseils d'utilisation
La viscosité élevée et la forte teneur en charges des composés d'encapsulation thermiquement conducteurs nécessitent des techniques de traitement adaptées. Même un matériau présentant une bonne valeur λ peut, dans la pratique, offrir de mauvaises performances s'il n'est pas correctement traité en raison de la présence de vides ou d'un mouillage incomplet.
Mélanger et homogénéiser
Les charges peuvent se séparer ou sédimenter pendant le stockage et le transport. Il est important de bien les homogénéiser avant leur mise en œuvre. Dans le cas des systèmes à deux composants, il convient d'abord d'homogénéiser les deux composants séparément avant de les mélanger. Une technique d'agitation appropriée améliore la répartition des charges et réduit les variations entre les lots lors de la mise en œuvre.
dégazage sous vide
Les poches d'air nuisent considérablement à l'efficacité de la conduction thermique, car l'air présente une très faible conductivité thermique. Un dégazage après le mélange peut améliorer considérablement la qualité du moulage. Pour les volumes importants ou les assemblages critiques, il peut également être judicieux de procéder à un moulage sous vide.
Dosage et comportement à l'écoulement
Les systèmes thermoconducteurs sont souvent nettement plus visqueux que les composés d'encapsulation standard. Pour les matériaux hautement chargés, il est souvent avantageux d'utiliser des systèmes de pompage et de dosage adaptés. Dans le cas d'assemblages complexes, le matériau doit être introduit de manière à permettre à l'air de s'échapper de manière contrôlée. Une température modérée peut améliorer la fluidité, mais réduit la durée de vie en pot selon le système.
durcissement
Les systèmes de résine réactifs peuvent générer une exothermie importante, en particulier pour les volumes d'encapsulation importants. La forte proportion de charge influence le bilan thermique et le déroulement de la réaction. Le cas échéant, il peut être judicieux d'opter pour un durcissement progressif ou des systèmes plus lents.
Les composés d'encapsulation à base de silicone présentent généralement une exothermie nettement inférieure à celle de nombreux systèmes époxy, ce qui peut être avantageux pour les processus impliquant des volumes d'encapsulation importants.
Traitement ultérieur et contrôle qualité
Une fois le durcissement terminé, il convient de vérifier la qualité du scellement, par exemple en effectuant un contrôle visuel à la recherche de bulles, un test de dureté, un contrôle du poids ou de la densité, ainsi qu'une thermographie sous charge afin de vérifier la dissipation thermique. Pour les applications critiques en matière de sécurité, il est judicieux de réaliser des tests électriques et mécaniques supplémentaires.
Foire aux questions (FAQ)
Puis-je retirer ultérieurement un composé d'encapsulation thermoconducteur ?
Cela n'est possible que dans une certaine mesure. Les systèmes en silicone souple sont souvent plus faciles à retirer mécaniquement que les époxydes durs. Cependant, les systèmes entièrement durcis et hautement chargés ne peuvent souvent être retirés qu'au prix d'efforts considérables et peuvent endommager les composants. Si une réparation est prévue, cela doit être pris en compte dès le choix du matériau.
Dans quelle mesure une valeur λ plus élevée améliore-t-elle réellement le refroidissement ?
Une valeur λ plus élevée améliore la conduction thermique dans le matériau, mais pas automatiquement la puissance de refroidissement globale. L'épaisseur de la couche, la qualité du contact, les bulles d'air, la géométrie et la dissipation thermique ultérieure dans le système sont également déterminantes. La résistance thermique de l'ensemble du circuit thermique est déterminante.
Pourquoi les composés d'encapsulation thermoconducteurs coûtent-ils nettement plus cher que les composés d'encapsulation standard ?
Les principaux facteurs de coût sont les charges thermoconductrices et les coûts plus élevés liés à la formulation et au traitement. Les taux de remplissage élevés augmentent la viscosité et la densité et imposent des exigences plus élevées en matière de technologie de mélange, de dégazage et de dosage.
Puis-je utiliser un composé d'encapsulation thermiquement conducteur avec un équipement standard ?
Pour de petites quantités et des géométries simples, cela est en partie possible. Dans le cas de systèmes fortement remplis, une bonne homogénéisation, une technique de dosage appropriée et, si possible, un dégazage sont importants pour obtenir des résultats reproductibles sans inclusions d'air.
Une valeur λ élevée est-elle toujours le meilleur choix ?
Non. Des valeurs λ plus élevées impliquent souvent des coûts plus élevés, une viscosité plus élevée et un traitement plus difficile. Dans de nombreuses applications, un système propre avec une valeur λ modérée est la solution la plus économique et techniquement suffisante.
Conclusion : améliorer de manière mesurable les performances thermiques
Les composés d'encapsulation thermoconducteurs sont plus qu'une simple amélioration. Ils permettent de concevoir des composants électroniques qui ne fonctionneraient pas de manière fiable sur le plan thermique avec un encapsulage standard. La valeur λ décrit la capacité du matériau, mais l'effet de refroidissement réel dépend du chemin thermique global.
Les systèmes chargés en oxyde d'aluminium offrent un bon rapport qualité-prix pour de nombreuses applications. Les systèmes à base de nitrure de bore et de nitrure d'aluminium sont particulièrement intéressants lorsque des performances thermiques élevées ou des propriétés électriques spécifiques sont requises.
Le traitement nécessite plus de soin que pour un scellement standard. L'homogénéisation, le dégazage et une technique de dosage adaptée sont déterminants pour obtenir des résultats reproductibles. Les avantages sont mesurables : températures des composants plus basses, durée de vie plus longue, performances du système plus élevées et meilleure fiabilité.
Lors du choix, la règle suivante s'applique : autant de conductivité thermique que nécessaire, pas autant que possible. Une analyse thermique claire permet d'éviter la suringénierie et de maintenir les coûts dans des limites raisonnables.
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- Sélection en fonction de la température, de la mécanique et de la résistance aux fluides
- Classification des valeurs λ dans le contexte de l'application
- Remarques concernant la mise en œuvre (mélange, dégazage, dosage)
- Échantillonnage pour les tests et la validation
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