Comment mesurer la conductivité thermique du matériau de routage dans un dissipateur thermique IGBT ?
Dec 31, 2025
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En tant que fournisseur de matériaux de routage de dissipateurs thermiques IGBT, il est crucial de comprendre comment mesurer la conductivité thermique de nos matériaux de routage. La conductivité thermique est une propriété fondamentale qui détermine l’efficacité avec laquelle un matériau peut transférer la chaleur. Dans le contexte des dissipateurs thermiques IGBT, un transfert de chaleur efficace est essentiel pour maintenir les performances et la longévité optimales des modules IGBT. Dans cet article de blog, j'explorerai diverses méthodes de mesure de la conductivité thermique des matériaux de routage dans les dissipateurs thermiques des IGBT.
Importance de la conductivité thermique dans les dissipateurs thermiques IGBT
Les modules IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sont largement utilisés dans les applications électroniques de haute puissance telles que les véhicules électriques, les systèmes d'énergie renouvelable et les entraînements de moteurs industriels. Pendant le fonctionnement, ces modules génèrent une quantité importante de chaleur. Si cette chaleur n'est pas dissipée correctement, la température du module IGBT augmentera, ce qui peut entraîner une diminution de l'efficacité, une diminution de la fiabilité et même une panne du dispositif.
Le matériau de routage dans un dissipateur thermique IGBT joue un rôle clé dans le transfert de chaleur. Un matériau à haute conductivité thermique peut transférer rapidement la chaleur générée par le module IGBT vers les ailettes du dissipateur thermique, où elle peut être dissipée dans l'environnement. Par conséquent, mesurer avec précision la conductivité thermique du matériau de routage est essentiel pour sélectionner le bon matériau et optimiser la conception du dissipateur thermique.
Méthodes de mesure de la conductivité thermique
1. Méthodes à l'état stable
un. Méthode de plaque chauffante gardée
La méthode de la plaque chauffante gardée est l'une des méthodes en régime permanent les plus largement utilisées pour mesurer la conductivité thermique. Dans cette méthode, un échantillon du matériau de routage est placé entre deux plaques plates : une plaque chaude et une plaque froide. La plaque chaude fournit un flux thermique constant à l’échantillon et la plaque froide absorbe la chaleur. Un thermocouple est utilisé pour mesurer la différence de température entre les deux plaques.
La conductivité thermique (k) peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
[k=\frac{Q\cdot L}{A\cdot\Delta T}]
où (Q) est le flux thermique, (L) est l'épaisseur de l'échantillon, (A) est la section transversale de l'échantillon et (\Delta T) est la différence de température entre les plaques chaudes et froides.
L’avantage de la méthode de la plaque chauffante gardée réside dans sa grande précision et sa fiabilité. Il peut mesurer la conductivité thermique de différents types de matériaux, notamment les solides, les liquides et les gaz. Cependant, il s'agit d'une méthode relativement lente, car elle nécessite beaucoup de temps pour atteindre un état d'équilibre.
b. Méthode du débitmètre thermique
La méthode du débitmètre thermique est une autre méthode en régime permanent. Elle est similaire à la méthode de la plaque chauffante gardée, mais au lieu de mesurer directement le flux thermique, elle utilise un débitmètre thermique pour mesurer le taux de transfert de chaleur à travers l'échantillon.
Le débitmètre thermique est constitué d'une thermopile qui génère une tension proportionnelle au flux thermique. En mesurant la tension et la différence de température aux bornes de l’échantillon, la conductivité thermique peut être calculée.
La méthode du débitmètre thermique est plus rapide que la méthode de la plaque chauffante gardée et convient à la mesure de la conductivité thermique des matériaux minces. Cependant, sa précision peut présenter certaines limites, en particulier pour les matériaux à faible conductivité thermique.
2. Méthodes transitoires
un. Méthode de source de plan transitoire (TPS)
La méthode Transient Plane Source est une méthode transitoire populaire pour mesurer la conductivité thermique. Dans cette méthode, un mince élément chauffant circulaire est placé entre deux échantillons du matériau de routage. L'élément chauffant est utilisé pour générer une impulsion thermique de courte durée et la réponse thermique des échantillons est mesurée en fonction du temps.
La conductivité thermique peut être déterminée en analysant la courbe température-temps à l'aide d'un modèle mathématique. La méthode TPS présente plusieurs avantages, notamment un temps de mesure rapide, la possibilité de mesurer des matériaux anisotropes et une large gamme de valeurs de conductivité thermique applicables.
b. Méthode du flash laser
La méthode du flash laser est couramment utilisée pour mesurer la diffusivité thermique des matériaux, qui peut ensuite être utilisée pour calculer la conductivité thermique. Dans cette méthode, une courte impulsion laser est appliquée sur un côté de l’échantillon et l’augmentation de température de l’autre côté est mesurée à l’aide d’un détecteur infrarouge.
La diffusivité thermique ((\alpha)) est calculée à partir du temps nécessaire à la température pour atteindre une certaine fraction de sa valeur maximale. La conductivité thermique (k) peut alors être calculée à l'aide de la formule suivante :
[k=\rho\cdot C_p\cdot\alpha]
où (\rho) est la densité du matériau et (C_p) est la capacité thermique spécifique.
La méthode du flash laser convient aux matériaux à haute conductivité thermique et peut fournir des résultats précis dans un temps relativement court. Cependant, cela nécessite un contrôle précis des conditions expérimentales et peut ne pas convenir aux matériaux à faible diffusivité thermique.
Facteurs affectant la mesure de la conductivité thermique
1. Température
La conductivité thermique dépend de la température. En général, la conductivité thermique de la plupart des matériaux diminue avec l’augmentation de la température. Par conséquent, il est important de mesurer la conductivité thermique à la température de fonctionnement du dissipateur thermique de l'IGBT pour garantir des résultats précis.
2. préparation des échantillons
La qualité de la préparation des échantillons peut affecter de manière significative la mesure de la conductivité thermique. L'échantillon doit avoir une épaisseur uniforme, des surfaces lisses et sans espace d'air ni impuretés. Toute non-uniformité ou défaut de l'échantillon peut introduire des erreurs dans la mesure.
3. Résistance de contact
La résistance de contact entre l'échantillon et l'équipement de mesure peut également affecter la précision de la mesure de conductivité thermique. Pour minimiser la résistance de contact, des matériaux d'interface thermique appropriés peuvent être utilisés entre l'échantillon et les plaques ou capteurs.
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Conclusion
Mesurer avec précision la conductivité thermique du matériau de routage dans un dissipateur thermique IGBT est essentiel pour garantir le fonctionnement efficace des modules IGBT. Les méthodes en régime permanent et transitoire peuvent être utilisées à cette fin, chacune avec ses propres avantages et limites. En prenant en compte des facteurs tels que la température, la préparation des échantillons et la résistance de contact, nous pouvons obtenir des résultats de mesure plus précis.
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Références
- Zhang, X. et Chen, Y. (2018). Manuel de conductivité thermique. Elsevier.
- ASTM International. (2019). Méthodes d'essai standard pour les mesures du flux thermique en régime permanent et les propriétés de transmission thermique au moyen de l'appareil de mesure du débit thermique. ASTM C518.
- Maleki, M. et Haghdadi, A. (2015). Méthodes transitoires pour mesurer les propriétés thermiques. Dans Conductivité thermique 42. Springer.