Graphique 1.L'imagerie par caméra thermique des modules d'alimentation enrobés à section épaisse- révèle fréquemment que la couche d'enrobage est la résistance thermique dominante -, une variable absente de la plupart des modèles thermiques initiaux.
Le modèle thermique a montré une température de jonction à 95 degrés à pleine charge. L'assemblage tourne à 118 degrés. Les retours de composants commencent à 14 mois - dérive du seuil de grille de l'IGBT, panne du condensateur électrolytique, fatigue des joints de soudure concentrée autour de la zone de dissipation élevée-. L'équipe d'ingénierie étudie la qualité des composants. Le poids du cuivre du PCB. La résistance de contact du dissipateur thermique. Personne n'ouvre le modèle thermique et n'ajoute un élément de ligne pour le composé d'enrobage époxy entre le composant et le mur de l'enceinte. Cet élément de campagne, s'il avait été inclus, aurait montré une contribution à la résistance thermique de 0,04 à 0,06 K/W par cm² à une épaisseur d'empotage standard -, suffisante pour expliquer l'essentiel de l'écart entre le modèle et la mesure.
Les composés d'enrobage époxy standard à 0,5 W/m·K ne sont pas thermiquement neutres dans les conceptions à section épaisse-. Ce sont des isolants thermiques avec une fonction ignifuge-. Les traiter comme thermiquement transparents dans un modèle thermique d’électronique de puissance est la cause, et non le symptôme, du problème de température de jonction.
La résistance thermique d'une couche d'empotage : une évaluation quantitative
La résistance thermique à travers une couche planaire est calculée comme R=t / (k × A), où t est l'épaisseur de la couche, k est la conductivité thermique et A est la surface de la section transversale. Pour un composé d'enrobage standard à k=0.5 W/m·K :
À 10 mm d'épaisseur, 1 cm² de surface : R=0.010 / (0,5 × 0,0001)=0.20 K/W
À 15 mm d'épaisseur, 1 cm² de surface : R=0.015 / (0,5 × 0,0001)=0.30 K/W
À 20 mm d'épaisseur, 1 cm² de surface : R=0.020 / (0,5 × 0,0001)=0.40 K/W
Ce ne sont pas des valeurs négligeables. Un module de puissance dissipant 5 W à travers une section d'empotage de 15 mm × 1 cm² subit une augmentation de température de 1,5 degré à travers l'enrobage à 0,5 W/m·K -, ce qui semble petit jusqu'à ce que la section transversale-surface de section soit de 2 cm², la dissipation soit de 20 W et le point chaud soit concentré. Dans les configurations de modules de puissance denses où plusieurs composants de dissipation partagent un volume encapsulé, la résistance thermique cumulée de la couche d'enrobage contribue de 15 à 30 degrés à la jonction-au-budget ambiant dans les conceptions où cette contribution n'a pas été modélisée.
À k=1.5 W/m·K, la même géométrie produit un-tiers de la résistance thermique. Le fait que cette réduction soit significative dépend de ce que sont les autres résistances du chemin thermique - si la résistance de la jonction-au-boîtier du composant domine, l'amélioration du composé d'enrobage n'apporte que peu d'avantages. La résistance thermique de la couche d'empotage est plus importante lorsqu'elle est le terme dominant dans le chemin, ce qui se produit dans les conceptions à section épaisse-avec des chemins de refroidissement à résistance relativement faible-sur la surface extérieure.
Graphique 2.Dans une section d'empotage de 15 mm d'épaisseur, le passage de 0,5 W/m·K à 1,5 W/m·K réduit la résistance thermique de la couche d'empotage d'environ deux-tiers. Le fait que cette réduction soit significative dépend de l'ampleur relative des autres résistances sur le chemin thermique.
Là où la résistance thermique d'empotage des sections épaisses- domine
Tous les assemblages enrobés ne sont pas sensibles à la conductivité thermique du composé d'enrobage. Les conditions de conception suivantes identifient les cas où la couche d'empotage est susceptible de constituer une résistance thermique dominante :
Épaisseur de la section d'empotage supérieure à 8–10 mm.En dessous de cette plage, la résistance thermique absolue de la couche d'enrobage est généralement faible par rapport aux autres résistances présentes sur le trajet. Au-dessus de cette plage, en particulier lorsque la surface de refroidissement est la paroi extérieure de l'enceinte, la couche d'enrobage devient fréquemment le terme dominant.
Densité de dissipation de puissance supérieure à 1 W/cm² dans le volume en pot.À faible densité de dissipation, la différence de température à travers la couche d'empotage reste dans des limites acceptables, même à 0,5 W/m·K. À mesure que la densité de puissance augmente, la même résistance thermique produit des écarts de température proportionnellement plus importants.
Topologie du chemin de refroidissement où la chaleur doit traverser la couche d'empotage pour atteindre la surface de refroidissement.Dans les assemblages où un dissipateur thermique ou une paroi de boîtier constitue le chemin de refroidissement principal et où le volume enrobé sépare le composant de cette surface, il n'y a pas de chemin de dérivation - 100 % de la chaleur dissipée du composant doit passer par l'enrobage. Dans les assemblages où le composant peut refroidir via des câbles, un plan en cuivre du PCB ou un contact direct avec le boîtier, la contribution d'enrobage est réduite.
Applications à service continu sans soulagement des cycles thermiques.Un composant qui fonctionne continuellement près de sa limite de température de jonction accumule la dégradation de manière linéaire. Une réduction de 15 degrés de la température de jonction - réalisable grâce à la sélection de composés d'enrobage dans certaines géométries - peut doubler la durée de vie des composants sous la dégradation du modèle d'Arrhenius-.
Pourquoi la conductivité thermique standard de l'époxy est faible et ce qui l'augmente
Les résines époxy non chargées et légèrement chargées ont une conductivité thermique comprise entre 0,15 et 0,25 W/m·K. Ceci est inhérent à la matrice polymère réticulée -. Les chaînes polymères sont de mauvais conducteurs thermiques car le transfert de chaleur dans les polymères amorphes se fait principalement par transfert d'énergie vibratoire le long des chaînes, ce qui est inefficace par rapport aux matériaux cristallins. Les valeurs de 0,5 à 0,7 W/m·K typiques des composés d'enrobage époxy ignifuges standards représentent une certaine teneur en charges - généralement les mêmes charges inorganiques qui contribuent à la fonction ignifuge - mais à des charges de charges optimisées pour l'aptitude au traitement et les performances de flamme, et non pour la conductivité thermique.
Atteindre 1,5 W/m·K nécessite une charge de charge significativement plus élevée avec des particules inorganiques thermiquement conductrices -, généralement de l'hydroxyde d'aluminium, de l'alumine ou du nitrure de bore à des fractions volumiques supérieures à 50 %. Le compromis est une forte augmentation de la viscosité du composant de base : une formulation délivrant 1,5 W/m·K aura généralement une viscosité de base comprise entre 500 000 et 1 500 000 cps à 25 degrés, contre 4 000 à 10 000 cps pour un système ignifuge standard. Cette plage de viscosité nécessite un pré-mélange mécanique et une distribution chauffée de préférence à 50 degrés pour obtenir un remplissage sans vide dans les cavités d'empotage confinées. Le gain de conductivité thermique est réel, mais il s'accompagne d'une exigence de discipline de processus qui n'est pas présente dans l'enrobage époxy standard.
Un point critique mais souvent négligé :la conductivité thermique d'un système hautement chargé n'est atteinte que lorsque la charge est uniformément répartie dans la section durcie.La charge se déposant dans le composant de base pendant le stockage -, ce qui est important dans les systèmes avec des densités de particules sensiblement supérieures au support de résine -, produit une section durcie avec une distribution de charge variable et donc une conductivité thermique variable. La conductivité thermique mesurée à un endroit de la pièce durcie peut ne pas représenter la moyenne globale, et elle ne représentera pas les sections où le matériau supérieur appauvri en charge - a été versé. Il ne s'agit pas d'un défaut matériel - c'est d'un défaut de manipulation. Le pré-mélange du composant de base dans son récipient d'origine avant la pesée n'est pas facultatif dans les systèmes à haut niveau de remplissage-.
Graphique 3.La décantation de la charge dans le composant de base E533 est suffisamment importante pendant le stockage pour produire une non--uniformité mesurable de la conductivité thermique durcie si le récipient n'est pas remélangé mécaniquement-avant la pesée.
Le problème des vides : pourquoi le dégazage est plus critique dans les systèmes thermoconducteurs
Dans un composé d'enrobage époxy standard de 0,5 W/m·K, les vides piégés réduisent la rigidité diélectrique locale et créent des sites de concentration de contraintes. Dans un composé thermiquement conducteur conçu pour conduire la chaleur, les vides ont une conséquence supplémentaire et plus grave : ce sont des isolants thermiques noyés dans une matrice thermiquement conductrice.
La conductivité thermique de l'air dans des conditions ambiantes est d'environ 0,026 W/m·K - environ 1/58ème de la matrice environnante de 1,5 W/m·K. Un vide sphérique dans une matrice thermiquement conductrice crée une résistance thermique locale qui est d'un ordre de grandeur supérieure à celle du matériau environnant. Dans un module de puissance à section épaisse-où l'intention de conception est de conduire la chaleur à travers l'enrobage jusqu'à la paroi du boîtier, un groupe de vides à un emplacement critique peut créer un goulot d'étranglement thermique local qui va à l'encontre de l'objectif de spécifier le composé à conductivité plus élevée-.
Le dégazage sous vide est donc plus conséquent dans les systèmes thermiquement conducteurs que dans les systèmes standards. L'argument en faveur du dégazage d'un système standard est principalement que les vides diélectriques - réduisent la rigidité diélectrique effective. L’argument en faveur du dégazage d’un système thermiquement conducteur est à la fois diélectrique et thermique. Le fait qu'une application donnée nécessite un dégazage dépend de la géométrie de la cavité et du contenu des vides pouvant être obtenu grâce à une distribution minutieuse, mais dans les modules en pot à haute -puissance-densité, l'hypothèse sûre est que le dégazage est nécessaire à moins que la qualité du remplissage de la cavité n'ait été validée sur des échantillons représentatifs.
Température de transition vitreuse et sa relation avec les performances thermiques
Un composé d'enrobage thermiquement conducteur est utilisé dans un environnement chaud par définition - qui est la condition d'application qui a motivé la sélection. La température de transition vitreuse (Tg) du système durci détermine à quelle température la forme mécanique de l'empotage commence à changer. En dessous de Tg, le composé est vitreux, rigide et dimensionnellement stable. Au-dessus de Tg, le réseau polymère passe à un état caoutchouteux avec un module considérablement réduit et un CTE augmentant rapidement.
Pour un ensemble de puissance encapsulé fonctionnant à température élevée, la Tg du composé établit la limite supérieure de stabilité dimensionnelle fiable - et non la température maximale de service continu, qui nécessite une marge thermique inférieure à la Tg. Si la température centrale de la section d'empotage approche ou dépasse la Tg pendant le fonctionnement normal, le composé fluctuera sous la charge de sa propre dilatation thermique, risquant de fissurer l'interface avec les composants intégrés ou le boîtier.
Cela signifie que l'exigence de Tg pour un composé thermiquement conducteur est déterminée par la sortie du modèle thermique - spécifiquement par la température centrale prévue de la section en pot à une charge continue maximale - et non par la température ambiante de l'enceinte. Dans un module de puissance dense où la couche d'enrobage réduit la température de jonction mais où le noyau de la masse en pot atteint toujours 110 degrés, un composé avec une Tg de 127 degrés (avec une marge opérationnelle d'environ 17 degrés) est significatif. Un composé avec une Tg de 70 degrés commencerait à perdre sa stabilité dimensionnelle dans ces conditions.
Ce qu'un modèle thermique approprié devrait inclure pour les assemblages en pot
Un modèle thermique pour un ensemble de puissance enrobé qui exclut la résistance thermique du composé d'enrobage sous-estimera systématiquement la température de jonction. L'approche correcte comprend :
La jonction-au-la résistance thermique du boîtier de chaque composant se dissipant (à partir de la fiche technique du composant).
La résistance de contact entre l'emballage du composant et le composé d'enrobage environnant (dépend du mouillage et du contenu de vides à l'interface).
La résistance thermique globale de la couche d'enrobage depuis la surface du composant jusqu'à la première limite de refroidissement (mur du boîtier, dissipateur thermique ou plan de cuivre du PCB).
La résistance de contact ou d'interface entre l'enrobage et la limite de refroidissement.
La résistance thermique de l'enceinte de refroidissement elle-même (épaisseur et matériau de la paroi du boîtier, efficacité du dissipateur thermique).
Dans les assemblages où la résistance thermique de la couche d'empotage est le terme dominant - identifié par le fait que sa suppression du modèle produit une température de jonction sensiblement inférieure à la valeur mesurée -, la sélection de la conductivité thermique du composé d'enrobage affecte directement la conception thermique. C'est la condition dans laquelle la spécification de 1,5 W/m·K par rapport à 0,5 W/m·K produit une différence significative dans la fiabilité du système.
Lorsque l’empotage thermiquement conducteur ne résout pas le problème
La spécification d'un composé d'enrobage de 1,5 W/m·K ne résoudra pas un problème de surchauffe de jonction lorsque :
La jonction des composants-à-la résistance du boîtier est le terme dominant.Si le composant lui-même constitue le goulot d'étranglement thermique, l'amélioration de la conductivité du composé d'enrobage a un effet marginal. Le modèle thermique complet doit être analysé pour identifier quelle résistance est dominante avant de changer de matériau.
La section d'empotage est fine (inférieure à 5 mm).À faible épaisseur, la résistance thermique absolue de la couche d’empotage est faible quelle que soit la conductivité. Spécifier 1,5 W/m·K pour traiter une couche d'enrobage de 5 mm ajoute de la complexité au processus sans avantage thermique significatif.
Le chemin de refroidissement entre la surface extérieure d’empotage et la température ambiante constitue la résistance limite.Si la convection naturelle de la surface de l'enceinte constitue le goulot d'étranglement thermique, la réduction de la résistance de la couche d'empotage déplace le goulot d'étranglement d'un pas vers l'extérieur -, mais ne réduit pas proportionnellement la température de jonction.
Les vides et la répartition des charges ne sont pas contrôlés.Un composé thermiquement conducteur avec une teneur en vides de 10 à 15 % ne peut pas fonctionner mieux qu'un composé standard sans vides, car les vides créent des résistances thermiques locales qui dépassent l'amélioration de la conductivité globale.
Produit connexe pour la gestion thermique dans l'empotage de sections épaisses
E533/H533 est un composé d'enrobage époxy à deux composants-fortement chargé, offrant une conductivité thermique de 1,5 W/m·K et une Tg de 127 degrés. Il nécessite un durcissement thermique en deux -étapes (80 degrés × 2 heures + 120 degrés × 4 heures) pour développer ses propriétés nominales. Le composant de base (E533) a une viscosité de 500 000 à 1 500 000 cps à 25 degrés - un prémélange mécanique et une distribution chauffée à 50 degrés (où la viscosité du mélange chute à 700 à 1 500 cps) sont nécessaires pour un développement immobilier cohérent et un remplissage sans vides-.
Le statut de certification UL 94 V-0 sous le fichier E120665 (répertorié comme E-53(Y)/H-53(Y)) doit être confirmé auprès de Fong Yong Chemical avant la spécification, car le statut des tests de suivi en décembre 2025 nécessite une vérification. Les ingénieurs qui ont besoin d'une certification UL actuellement active doivent confirmer le calendrier de réintégration avant d'inclure E533/H533 dans un produit final répertorié UL.
👉 🔗 Page produit E533/H533 - Données techniques, conductivité thermique, notes d'application
Questions d'ingénierie clés
À partir de quelle épaisseur d'enrobage les spécifications de conductivité thermique commencent-elles à avoir de l'importance ?
À titre indicatif, la résistance thermique de la couche d'enrobage devient significative par rapport aux autres résistances thermiques du trajet lorsque la section enrobée dépasse environ 8 à 10 mm et que la densité de dissipation de puissance dépasse 1 W/cm². En dessous de ces seuils, la résistance absolue de la couche d'empotage n'est généralement pas le terme dominant, et une augmentation de la conductivité thermique de 0,5 à 1,5 W/m·K produit une amélioration de moins de 5 degrés de la température de jonction. Cela doit être confirmé en exécutant les chiffres dans un modèle thermique complet pour la géométrie spécifique avant de prendre une décision de changement de matériau.
La conductivité thermique peut-elle être mesurée sur des échantillons de production pour vérifier que le composé fonctionne comme spécifié ?
Oui, mais la mesure doit être effectuée sur des échantillons durcis fabriqués dans des conditions de production et de dégazage, et non sur des échantillons de laboratoire préparés dans des conditions idéales. La conductivité thermique dans les systèmes hautement remplis est sensible au contenu des vides et à la répartition des charges. Un échantillon de production avec 5 % de vides et une re-redispersion incomplète de la charge en raison d'un pré-mélange inadéquat peut mesurer 0,8 à 1,0 W/m·K plutôt que 1,5 W/m·K. La mesure périodique de la conductivité thermique sur des échantillons représentatifs de la production -est l'approche de vérification correcte, et ne s'appuie pas uniquement sur les valeurs TDS.
La Tg du composé d'enrobage affecte-t-elle sa conductivité thermique pendant le fonctionnement ?
La conductivité thermique dans les systèmes hautement remplis est moins sensible à la transition Tg que les propriétés mécaniques. La principale préoccupation au-dessus de Tg est la stabilité dimensionnelle et le fluage - le composé se ramollit, le CTE augmente d'environ 2 à 3 fois et une charge soutenue provoque un fluage à l'interface du composant d'empotage -. La conductivité thermique ne chute pas de façon spectaculaire à Tg pour un système fortement rempli car les particules de charge (qui transportent la majeure partie de la chaleur) restent en place. Le problème de Tg dans une application chargée thermiquement est mécanique et non lié à la conductivité thermique-.
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