Evaluation des contraintes subies par les composants électroniques enrobés

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "Evaluation des contraintes subies par les composants électroniques enrobés"

Franck Beaudoin
il y a 6 ans
Total affichages :

composants électroniques : permettre une bonne conductivité

inviolabilité» de la carte électronique ; protéger contre l

1 Evaluation des contraintes subies par les composants électroniques enrobés Objectifs du surmoulage des composants électroniques : permettre une bonne conductivité thermique ; améliorer la tenue mécanique (face aux vibrations, chocs, etc.) ; assurer l isolement électrique ; assurer «l inviolabilité» de la carte électronique ; protéger contre l environnement extérieur ; assurer la biocompatibilité. Conséquence du surmoulage : contraintes thermomécaniques sur les composants. 1

Quelques applications Secteur de l électronique et de la microélectronique : > micropuces de surveillance ; > surmoulage de connections de circuits flexibles ; > dam and fill de micropuces ; > cartes

2 Quelques applications Secteur de l électronique et de la microélectronique : > micropuces de surveillance ; > surmoulage de connections de circuits flexibles ; > dam and fill de micropuces ; > cartes électroniques. Secteur médical : > pacemakers / défibrillateurs. Les résines d encapsulation Deux familles de résines de surmoulage : > Résines thermodurcissables > Résines thermofusibles > Résines thermoplastiques 2

3 Les résines d encapsulation Deux familles de résines de surmoulage Type de famille de résines Résines thermodurcissables Résines thermofusibles/thermoplastiques Matériaux concernés Silicones Polyuréthannes Méthacrylates Epoxydes Polyamide / Polyamides chargés Polyuréthanne Polypropylène Températures Moulage lors de la réticulation Transitions vitreuses Moulage lors du refroidissement Transitions vitreuses Température de ramollissement Evaluation des contraintes thermiques internes subies par les composants σ 1 = E ε retrait Retrait de réticulation ou de solidification σ 2 = E ε thermique Approximation des petites déformations : ε = e σ = E α (θ θ meo ) 3

DMA (Analyse Mécanique Dynamique) et TMA (Analyse Thermo-Mécanique) Schéma de principe d un appareil de DMA A : Moteur linéaire qui permet d'appliquer une contrainte constante, dynamique ou

céramique permettant de chauffer à très grande vitesse (,1 à 1 C / min) et comprenant un thermocouple de mesure de température de l'échantillon J : Purge de gaz permettant d'avoir une

4 DMA (Analyse Mécanique Dynamique) et TMA (Analyse Thermo-Mécanique) Schéma de principe d un appareil de DMA A : Moteur linéaire qui permet d'appliquer une contrainte constante, dynamique ou une combinaison des deux C : Châssis rigide F : Enceinte thermostatée G : Dispositif de mesure mécanique sollicitant l'échantillon H : Enceinte thermostatée de l'échantillon I : Four en céramique permettant de chauffer à très grande vitesse (,1 à 1 C / min) et comprenant un thermocouple de mesure de température de l'échantillon J : Purge de gaz permettant d'avoir une atmosphère constante autour de l'échantillon K : Bloc isolant L : Circuit de refroidissement comprenant une circulation à l'eau au dessus de l'ambiante et un bain d'azote liquide en dessous de l'ambiante. 4

5 Sollicitation de l échantillon lors d une mesure en DMA Mors mobile + l l - l l +/- l Echantillon Charge statique de l échantillon Sollicitation dynamique autour de la charge statique Force Statique et déplacement Force statique (N) 2,5 2, 1,5 1,,5, -75, -55, -35, -15, 5, 25, 45, 65, 85, 15, 125, 145,,1, -,1 -,2 -,3 -,4 -,5 Déplacement statique (mm) Température ( C) Force Statique Déplacement statique 5

6 Dynamic Force and displacement FORCE FORCE DYNAMIQUE DYNAMIQUE ET DEPLACEMENT ET DEPLACEMENT DYNAMIQUE DYNAMIQUE Force dynamique (N) 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, -75, -55, -35, -15, 5, 25, 45, 65, 85, 15, 125, Force Dynamic Dynamique Force Température Déplacement ( C) dynamique 145,,18,16,14,12,1,8,6,4,2, Déplacement dynamique (mm) Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > polyuréthanne «electrolube UR 568» Dynamic Properties vs Temperature - electrolube - 2h à 8 C - DMTA de 1,E+1 1,4 Modulus (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 Tg ( C)=2.2 1,2 1,,8,6,4,2 Tan Delta 1,E+5, -6, -4, -2,, 2, 4, 6, 8, 1, 12, Temperature (C) Modulus Loss modulus Tan Delta 6

7 Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > polyuréthanne «ICT Icthanne ET 183 A VO / 1722B» Dynamic Properties vs Temperature - ICT - 4h à 6 C - DMTA de 1,E+1 Modulus Loss modulus Tan Delta 1,4 Modulus (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 Tg ( C)= ,2 1,,8,6,4,2 Tan Delta 1,E+5, -6, -4, -2,, 2, 4, 6, 8, 1, 12, Temperature (C) Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polyamide «OPTIMEL OM 652» Propriétés dynamiques de la résine OM 652 en fonction de la température (1 Hz) Module (Pa) 1,E+1 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 Temperature =-14.5 C Température (C),4,35,3,25,2,15,1,5 7

8 Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polyamide «OPTIMEL OM 673» Module (Pa) Propriétés dynamiques de la résine OM 673 en fonction de la température (1 Hz) 1,E+1 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 Température =-12.4 C Température ( C),3,25,2,15,1,5 Evaluation des contraintes thermiques générées par les résines > Evolution du cœfficient de dilatation en fonction de la température Coefficient de dilatation thermique (1-6/K) 25, 2, 15, 1, 5,, -1, -5,, 5, 1, 15, température ( C) 8

9 Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > résine époxyde Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > résine époxyde «BFi OPTiLAS ES 1» 1,4E+9 1,32E+9 1,2E+9 1,22E+9 1,E+9 1,3E+9 ES 1 E (Pa) 8,1E+8 6,1E+8 6,E+8 4,1E+8 4,15E+8 2,1E+8 1,7E+8 1,E+7 5,E+6 1,E T ( C) 9

10 Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > silicone «SMAC CQX 911» Silicone CQX 911 E (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+9 6,17E+8 3,8E+8,46,35,23 2,29E+8 1,38E+8 6,61E+7 9,77E+7 7,94E+7 7,8E+7,185,18,171,177,18,18 1 Tg pertes 1,E ,9 12,7 3 46,2 T ( C),1 F = 44,1 Hz Les résines thermodurcissables : propriétés viscoélastiques > polyimide Polyimide 1,E+1 1,4 1,E+9 5,5E+9 4,5E+9 2,57E+9 1,3 1,2 1 E (Pa) 1,E+8 1,E+7,55,56,63 1,5E+8,683 1,45E+7,575 8,5E+6,57 7,5E+6,8,6,4,2 Tan pertes 1,E T ( C) 1

11 Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > La famille des acryliques Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polypropylène 11

Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polychlorure de vinyle Evaluation des contraintes thermiques moyennes générées par les résines polyamides

12 Les résines thermoplastiques : propriétés viscoélastiques > Polychlorure de vinyle Evaluation des contraintes thermiques moyennes générées par les résines polyamides Evolution des contraintes en fonction de la température - OM 652 1,E+8 Contrainte (Pa) 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E Température 12

13 Allure des courbes Contrainte moyenne/ Température de quelques matériaux Evolution de la contrainte en fonction de la température Comparaison des références Optimel OM 652 et OM 673 avec des résines polyuréthannes Contrainte (Pa) 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 OM 673 OM 652 PU 5 Shore D PU 8 Shore A 1,E+1 1,E Température ( C) Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» et «ICT Icthanne» bords libres > Visualisation du modèle et des déformations T = 1 C T = - 5 C 13

14 Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» bords libres > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants Contrainte (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E+ s fonction température Température ( C) Calcul analytique (Contraintes moyennes) Cylindre (Contraites à la base) Hexagone (Contraintes à la base) Calcul par éléments finis > Polyuréthanne «ICT Icthanne» bords libres > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants Contrainte (Pa) 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E+ s fonction température Température ( C) Calcul analytique Contraintes moyennes Cylindre (Contraintes à la base) Hexagone (Contraites à la base) 14

Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» et «ICT Icthanne» dans le boîtier > Visualisation des déformations T = 1 C T = - 5 C Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» dans

15 Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» et «ICT Icthanne» dans le boîtier > Visualisation des déformations T = 1 C T = - 5 C Calcul par éléments finis > Polyamide «OPTIMEL OM 652» dans le boîtier > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants 1,E+9 1,E+8 1,E+7 s fonction Température Cylindre (Contraintes à la base) Hexagone (Contraintes à la base) Calcul analytique Contraintes moyennes Contrainte (Pa) 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E Température ( C) 15

16 Calcul par éléments finis > Polyuréthanne «ICT Icthanne» dans le boîtier > Visualisation des contraintes au niveau des soudures des composants 1,E+8 1,E+7 1,E+6 s fonction Température Cylindre (Contraintes à la base) Hexagone (Contraintes à la base) Calcul analytique Contraintes moyennes Contrainte (Pa) 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,E Température ( C) Conclusions Les calculs analytiques : > nécessitent la connaissance des valeurs expérimentales des modules et CTE en fonction de la température ; > ce sont surtout les évolutions des modules en fonction de la température plus que les dépendances des CTE qui expliquent les variations de contraintes internes ; > ces valeurs peuvent atteindre pour les basses températures des valeurs de l ordre de 1Mpa (1 kg par mm²). 16

17 Conclusions Les calculs précis par éléments finis : > nécessitent des temps de calculs importants ; > prédisent des valeurs de contraintes maximales locales très élevées et permettent de mieux sélectionner la résine de surmoulage correspondant au cahier des charges défini. 17

Documents pareils

Quels matériaux biosourcés pour l automobile d aujourd hui et celle de demain? Dr Stéphane DELALANDE Direction des Matériaux et Procédés Innovation

Quels matériaux biosourcés pour l automobile d aujourd hui et celle de demain? Dr Stéphane DELALANDE Direction des Matériaux et Procédés Innovation Plan Introduction Les challenges de l industrie automobile