Assurer la fiabilité : techniques de potting et scellement de ruban plat dans commutateurs et relais

Plus de façons de créer un joint étanche à l'air dans les dispositifs électroniques

La dernière fois, nous avons parlé de l'importance d'atteindre un joint verre-métal étanche au vide dans les produits électroniques. De même, une méthode connue sous le nom de potting (également appelée encapsulation) est souvent utilisée dans la fabrication pour créer un emballage hermétiquement scellé pour les dispositifs de commutation électroniques, y compris le ruban plat dans les semi-conducteurs utilisés dans les relais à état solide.

Qu'est-ce que le potting ?

Dans le potting, une pièce ou un assemblage électronique est complètement enveloppé dans un composé solide ou gélatineux, à la fois pour fournir une résistance aux chocs et vibrations, et pour empêcher la poussière et autres contaminants, ainsi que l'humidité et les agents corrosifs. La méthode implique généralement une pièce électronique immergée dans ou injectée avec un diélectrique liquide, tel que le silicone, l'époxy ou l'uréthane, puis durcie. Pour un potting sans vide, un produit peut être placé dans une chambre à vide pendant que la résine est encore liquide ; le vide est tiré et maintenu pour extraire l'air des cavités internes et de la résine, puis relâché pour que la pression atmosphérique effondre les vides et force la résine liquide dans chaque recoin.

Le potting diélectrique est largement utilisé pour la performance électronique et pour protéger les composants électroniques à état solide des dommages environnementaux et mécaniques ; comme bonus supplémentaire, le potting fournit souvent aussi la structure qui maintient un assemblage ensemble.

Ruban plat et semi-conducteurs : la puissance derrière les relais à état solide

De nombreuses applications de commutation d'aujourd'hui emploient un relais à état solide (RESS) pour contrôler et compléter les circuits de puissance — en utilisant un dispositif semi-conducteur de puissance sur un ruban plat pour commuter des courants jusqu'à environ 100 ampères. Les RESS sont plus rapides que les relais électromécaniques ; en outre, comme il n'y a pas de pièces mobiles à user et pas de contacts à piquer ou à accumuler du carbone, les RESS ont une durée de vie plus longue et une résistance de sortie constante indépendamment de la quantité d'utilisation.

Les semi-conducteurs de puissance sont composés de dispositifs individuels discrets ou, souvent, de circuits intégrés disposés sur un ruban plat et utilisés comme commutateur ou redresseur pour des applications à haut courant ou haute tension, telles qu'une alimentation à découpage. Certains dispositifs de puissance courants incluent la diode de puissance, le thyristor, le MOSFET et le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT).

Dissipateurs de chaleur et élimination de la chaleur des semi-conducteurs

Puisque les semi-conducteurs ne performent pas bien à des températures élevées, les dispositifs de puissance dans les RESS nécessitent des dissipateurs de chaleur pour éliminer la chaleur générée par les températures élevées et le cyclage thermique. L'emballage fournit un moyen d'éliminer la chaleur d'un dispositif semi-conducteur, en conduisant la chaleur vers l'environnement externe. Attacher un dispositif de puissance à un dissipateur de chaleur élimine également la chaleur causée par les pertes de fonctionnement. De plus, l'emballage aide à rendre les dispositifs semi-conducteurs moins sensibles à des facteurs tels que les chocs mécaniques, les vibrations, l'humidité et les champs magnétiques externes.

Le potting est souvent utilisé pour créer l'emballage pour les composants semi-conducteurs, y compris ceux utilisant du ruban plat. L'emballage hermétique peut également être accompli en positionnant une puce semi-conductrice dans la cavité d'un boîtier et en tirant un vide. Le boîtier est ensuite scellé avec un capuchon en céramique ou en métal.

Comme avec un joint verre-métal, il est important de s'assurer que l'expansion thermique du matériau d'emballage est compatible avec celle du dispositif semi-conducteur en silicium. De même, il est crucial de s'assurer que le ruban plat n'a pas de fissures, de fentes ou d'autres conditions de surface qui pourraient compromettre l'intégrité du boîtier scellé. Une inspection visuelle minutieuse ainsi que des tests par courants de Foucault (ECT) peuvent être effectués sur le ruban plat pour s'assurer qu'il est exempt de défauts de surface et sous-surface. (Vous pouvez en lire plus sur l'ECT dans notre blog précédent — ou mieux encore, appelez Metal Cutting Corporation !)

De plus, là où la résine de potting est injectée directement dans le composant électronique, il est important de s'assurer que l'équipement de fabrication de précision est correctement programmé pour délivrer le bon ratio de matériau et former un emballage étanche à l'air sans endommager le délicat dispositif semi-conducteur à l'intérieur.

Sceller l'enveloppe dans les commutateurs au mercure

Un autre dispositif électronique qui est couramment encapsulé est le commutateur au mercure. Comme son nom l'indique, les commutateurs au mercure utilisent une petite quantité de mercure liquide pour ouvrir et fermer un circuit électrique. Parce qu'une goutte de mercure même est très sensible à la gravité, le mercure fournit une fonction de détection unique pour des mécanismes de commutation simples et à faible force.

Les commutateurs au mercure consistent en un ou plusieurs ensembles de contacts électriques dans une enveloppe de verre scellée qui contient une perle de mercure ; l'enveloppe peut également contenir de l'air, un gaz inerte ou un vide. Les commutateurs au mercure complètent ou coupent un circuit lorsque le commutateur est incliné, provoquant le contact ou l'éloignement du mercure d'un ensemble de contacts. Le commutateur peut contenir plusieurs ensembles de contacts, fermant différents ensembles à différents angles pour détecter le mouvement dans diverses directions.

Puisque le mercure est un métal toxique dont l'utilisation et l'élimination sont strictement réglementées, de nombreuses applications antérieures pour les commutateurs au mercure ont été remplacées au fil des ans. Par exemple, leur utilisation dans les nouvelles voitures — pour des choses comme les commandes d'éclairage et les systèmes antiblocage — a été interrompue aux États-Unis il y a plus d'une décennie. Cependant, les commutateurs au mercure jouent encore un rôle précieux dans les dispositifs de sécurité tels que les commutateurs d'inclinaison utilisés pour les avertissements de renversement ou de basculement dans les équipements de construction. Dans les avions, les indicateurs d'attitude à entraînement électrique (alias, horizons artificiels) utilisent encore des commutateurs au mercure pour maintenir l'axe du gyroscope vertical. Les commutateurs au mercure sont également utilisés comme alarmes d'inclinaison dans certaines machines distributrices, activant un commutateur pour déclencher une alarme si la machine est secouée ou inclinée.

Le bilan étanche à l'air

Que nous parlions du lien verre-métal dans une ampoule, du boîtier encapsulé d'un semi-conducteur construit avec du ruban plat dans un relais à état solide, ou de l'enveloppe dans les commutateurs au mercure, il est critique de s'assurer que le joint est étanche à l'air. Travailler avec les bons partenaires aide à garantir que les composants électroniques critiques et les processus comme ceux-ci sont testés tout au long de la chaîne d'approvisionnement, pour produire les résultats finaux souhaités.

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