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Gestion thermique des LED Réflexions au-delà des valeurs de conductivité thermique

EN DE IT Étiquettes: Solutions de dissipation thermique, La conduction thermique

Dans l’industrie électronique, les produits chimiques spécifiquement conçus et formulés sont couramment utilisés dans un large éventail d'applications.

 Qu’il s’agisse de la fabrication de cartes de circuit imprimé ou de la protection des composants ou encore de dispositifs complets distincts, ces produits sont devenus un facteur essentiel pour garantir les performances et la qualité des appareils électroniques. 

Ce livre blanc traite de l’utilisation de ces produits chimiques formulés dans les applications de gestion thermique, spécifiquement au sein de l’industrie des LED, en croissance rapide. Comme nous le savons tous, les LED sont utilisées dans de nombreux appareils électroniques depuis plusieurs années. Sous l’effet d’avancées récentes dans ce secteur, les LED sont désormais largement utilisées dans tous les types de luminaires, de panneaux de signalisation et d'appareils électroménagers, pour ne citer que quelques applications. Alternatives aux systèmes d’éclairage à halogène, à incandescence et fluorescents pour applications intérieures et extérieures, les LED offrent des possibilités apparemment infinies. Les LED présentent des avantages par rapport aux formes d’éclairage traditionnelles en termes d’adaptabilité (liberté des formes grâce à leur faible encombrement) et de durée de vie et constituent donc une solution rentable dans de nombreuses applications. Elles sont aussi considérablement plus efficaces, puisqu’elles convertissent la majorité de l’énergie en lumière et minimisent la chaleur émise.

Même si les LED sont considérablement plus efficaces que les formes d’éclairage traditionnelles, elles produisent néanmoins de la chaleur, qui peut endommager la LED et doit donc être gérée afin de conserver les avantages de cette technologie. Généralement classées en fonction de leur température de couleur, les LED sont disponibles en d’innombrables variantes de couleurs. Toute variation de la température de service de la LED entraîne aussi une variation de sa température de couleur. Par exemple, dans le cas d’une lumière blanche, une augmentation de la température peut également entraîner l’émission d’une couleur 'plus chaude' par la LED. En outre, en présence d’un écart de températures des puces de LED d’un même ensemble, l’émission d’une plage de températures de couleur est possible, ce qui affecte alors la qualité et l’esthétique du dispositif.

Le maintien d’une température adaptée dans la puce de la LED permet non seulement de prolonger sa durée de vie mais aussi de produire davantage de lumière. Le nombre de LED nécessaires peut donc être réduit pour un résultat identique. Par conséquent, une augmentation de la température de service peut exercer un effet bénéfique sur les propriétés de la LED. Néanmoins, si l’on atteint des températures de jonction excessives, notamment supérieures à la température de service maximum de la LED (~120-150˚C), cet effet peut s'avérer néfaste et entraîner une défaillance complète de la LED. La température de service est directement liée à la durée de vie de la LED. Plus la température est élevée, plus la durée de vie de la LED est courte. Une gestion thermique efficace garantit donc la constance de la qualité, de l'apparence et de la durée de vie des séries de LED, ce qui à son tour, offre des opportunités d'applications dans ce secteur en évolution constante.

q = h S ΔT
Loi du refroidissement de Newton - Convection

q est la chaleur transférée par convection (W)
H est le coefficient de transfert thermique (W/m² K)
S est la surface (m²)
ΔT est la différence de température généralement entre la température de surface et l’air ambiant (°C ou K)

Aux fins du présent livre blanc, nous n'envisagerons pas les détails du transfert thermique et nous nous contenterons d’en aborder les principes de base : la conduction (chaleur transférée par une masse solide via un contact direct — loi de Fourier), la convection (transfert de chaleur par le mouvement de liquides et de gaz — loi de Newton) et le rayonnement (chaleur transférée par un champ électromagnétique). En général, le rayonnement exerce seulement un effet très réduit sur le transfert thermique des systèmes à LED puisque les surfaces sont relativement faibles et ce sont donc les principes de conduction et de convection qui sont les plus intéressants ici : la conduction fait référence au transfert de chaleur à la jonction de la LED, entre la LED et le dissipateur thermique, tandis que la convection fait référence au transfert thermique entre le dissipateur thermique et l’air ambiant.

La loi du refroidissement de Newton indique que le taux de perte thermique est proportionnel à la différence de température entre le corps et son environnement. Par conséquent, lorsque la température d'un composant augmente jusqu’à atteindre sa température d’équilibre, le taux de perte thermique par seconde est égal à la chaleur produite par seconde à l’intérieur du composant.  La déperdition de chaleur d’un composant dans son environnement intervient au niveau de sa surface, le taux de dissipation augmentant en fonction de la superficie de cette dernière. C’est à ce niveau que sont utilisés les dissipateurs thermiques. De tailles et de formes différentes, ils peuvent considérablement augmenter la superficie pour optimiser la dissipation thermique. Les dissipateurs thermiques sont fréquemment utilisés dans les LED et fixés au dos du composant.  Dans l’idéal, ces surfaces de contact doivent être parfaitement lisses pour améliorer la conduction thermique, mais cette configuration est généralement impossible. On trouve ainsi des trous d’air à l’interface entre le dispositif et le dissipateur thermique, qui diminuent considérablement le transfert de chaleur.

q = -k A (ΔT/s)
Loi de la conduction thermique de Fourier

q est la chaleur transférée par conduction (W)
k est la conductivité thermique (W/m K)
S est la superficie en coupe du matériau par lequel passe la chaleur (m²)
ΔT est la différence de température dans le matériau (°C ou K)
s est l’épaisseur du matériau (m)

Il existe de nombreuses manières d’améliorer la gestion thermique des produits à LED et il convient donc de choisir le type de matériau thermiquement conducteur le plus adapté afin de garantir une dissipation thermique optimale. Nous allons donc commencer par envisager les matériaux d’interface thermique, notamment les composés de transfert thermique, qui éliminent les trous d’air entre les surfaces de contact et augmentent la conduction thermique au niveau du point de jonction de la LED. Ces composés ont pour fonction de combler l’interstice entre l’appareil et le dissipateur thermique, et d’ainsi réduire la résistance thermique à la frontière entre ces deux dispositifs. Ceci accélère la perte thermique et diminue la température de service de l'appareil. On peut également utiliser des produits de durcissement comme matériaux adhésifs, tels que des silicones résistants aux variations de température ou des composés époxy. Le choix dépendra souvent de la résistance d’adhésion ou de la température de service requise. Il est aussi possible d’utiliser des matériaux solides comme tampons de garnissage ou déphaseurs, auquel cas on appliquera un film fin au niveau de l'interface.  Ainsi, la sélection initiale des produits dépendra selon qu’il est nécessaire d’ajouter un durcissant pour faciliter l’adhésion du dissipateur thermique ou d’opter pour une interface thermique non durcissante pour permettre un réusinage.

Les produits non durcissants peuvent contenir du silicone ou non. Ceux à base de silicone offrent une  température limite maximale de 200 °C et une viscosité inférieure en raison de leur base silicone. Ceci nous amène au critère suivant lors de la sélection des produits. En effet, toutes les applications ne permettent pas l’utilisation de produits à base de silicone ou en contenant. Cette limite peut être due à plusieurs facteurs, notamment des exigences d’utilisation ou de problèmes observés lors du nettoyage ou du collage, tenant à la migration de siloxanes de faible poids moléculaire. Ces espèces volatiles peuvent réduire la tension de surface d’un substrat, ce qui les rend extrêmement difficiles à nettoyer ou à coller. Puisqu’elles sont naturellement isolantes, leur migration peut entraîner une défaillance des applications électroniques. Les produits formulés par Electrolube sont dérivés de matières premières spécifiquement conçues pour l'industrie électronique. Ainsi, on utilise uniquement des produits contenant du silicone lorsque les fractions de faible masse moléculaires sont contrôlées et réduites au minimum. Il existe également un éventail de produits sans silicone destinés aux applications critiques.

SC3001 being applied to LED strip

Une autre option pour gérer la perte thermique des appareils électroniques consiste à utiliser une résine d’encapsulation thermiquement conductrice. Les produits qui contiennent une telle résine sont conçus pour protéger l'appareil contre les agressions de l'environnement, tout en permettant la dissipation de sa chaleur dans l'environnement. Dans ce cas, la résine d’encapsulation devient le dissipateur thermique et évacue l’énergie thermique hors de l’appareil. Ces produits peuvent être utilisés pour encapsuler le dispositif technologique utilisé et fixés sur la LED. Ils augmentent également le réfléchissement de la lumière émise en fonction de la couleur choisie.  Les résines d’encapsulation utilisent également des charges thermoconductrices mais on peut modifier la résine de base, un durcissant et d'autres additifs afin d'offrir un large éventail d'options, notamment pour obtenir des composés époxy, de polyuréthane et de silicone.

Les différentes options chimiques offrent tout un éventail de propriétés qui doivent chacune être envisagées en fonctions des exigences de l’utilisation finale. Par exemple, un matériau en polyuréthane offre une excellente flexibilité, notamment à basses températures, ce qui lui confère un avantage de taille sur un système en époxy. Une résine en silicone peut présenter une telle flexibilité à basses températures tout en offrant de meilleures performances à basses températures, bien supérieures à celles des autres composés chimiques. Les produits en silicone sont aussi généralement plus chers. Les systèmes en époxy sont très résistants et offrent une excellente protection dans différents environnements difficiles. Il s’agit de matériaux rigides aux faibles coefficients d’expansion thermique. Dans certains cas, la formulation d’un certain degré de flexibilité est possible. La formulation des résines d’encapsulation permet la fabrication d’un large éventail de produits aux propriétés adaptées aux applications individuelles. Nous conseillons donc de contacter un fournisseur adapté pour discuter de vos applications en détail.

Quel que soit le type de produit de gestion thermique choisi, certaines propriétés essentielles doivent également être prises en compte. Il peut s’agir de paramètres relativement simples, tels que les températures de service de l’appareil, des exigences électriques ou autres contraintes de traitement (viscosité, durée du durcissement etc.). D'autres paramètres sont plus critiques et une simple valeur ne suffit pas toujours pour choisir le produit adapté. La conductivité thermique en constitue un excellent exemple. Mesurée en W/m K, la conductivité thermique représente la capacité d’un matériau à conduire la chaleur. Les valeurs de conductivité thermique apparente, que l’on trouve sur la plupart des fiches produits, constituent une bonne indication du niveau de transfert thermique attendu et permet la comparaison de différents matériaux. Néanmoins, ces valeurs ne permettent pas nécessairement d'obtenir le transfert thermique le plus efficace.


Θ = L/k A
Résistance thermique du matériau d’interface

Θ est la résistance thermique du matériau d’interface (K m2/W)
L est l’épaisseur du matériau d’interface (m)
K est la conductivité thermique du matériau d’interface (W/m K)
S est la surface (m²)

La résistance thermique, mesurée en K m²/w, est l’inverse de la conductivité thermique. Elle prend en compte l’épaisseur de l’interface et même si elle dépend des surfaces de contact et des pressions appliquées, il convient de suivre quelques règles générales pour maintenir les valeurs de résistance thermique au minimum et ainsi optimiser le rendement du transfert thermique. Par exemple, un dissipateur thermique en métal présente une conductivité thermique considérablement supérieure à celle d’un composé de transfert thermique utilisé sur l’interface et il est donc important d’utiliser ce composé en fine couche uniquement. L’augmentation de l’épaisseur entraîne alors seulement une hausse de la résistance thermique. Par conséquent, les faibles épaisseurs d’interface et les conductivités thermiques élevées sont les plus à même d’améliorer le transfert thermique. Dans certains cas cependant, l’utilisation d’un matériau présentant une conductivité thermique apparente supérieure peut nuire à la résistance de contact, empêchant ainsi toute amélioration. Le tableau ci-dessous indique les principales différences entre matériaux de gestion thermique et souligne que la combinaison des propriétés est plus importante qu’une seule valeur seule.

Tableau 1 – Comparaison des différents matériaux de gestion thermique
Matériau de l’interface thermiqueConductivité thermique apparenteRésistance thermiqueÉpaisseur du matériauCapacité de réusinage
Colles BONNE BONNE EXCELLENTE ACCEPTABLE
Composés ou pâtes BONNE EXCELLENTE EXCELLENTE EXCELLENTE
Matériaux encapsulants BONNE BONNE BONNE ACCEPTABLE/MAUVAISE
Tampons thermiques EXCELLENTE ACCEPTABLE MAUVAISE EXCELLENTE
Changement de phase EXCELLENTE BONNE ACCEPTABLE BONNE

La comparaison des composés ou pâtes thermiques avec les tampons thermiques, telle qu’indiquée dans le tableau 1, permet d’illustrer cette différence. Les tampons thermiques sont des matériaux solides polymérisés d’épaisseur fixe, disponibles en différentes conductivités thermiques. Les composés ou pâtes thermiques envisagés ci-dessus étant des composés non durcissants, leur viscosité peut légèrement varier sous l'effet d'une augmentation de la température. Ceci permet de réduire davantage la résistance d’interface. Dans le cas des tampons thermiques, de hautes pressions sont nécessaires pour obtenir une interface adéquate. Ainsi, une pâte et un tampon de conductivités thermiques apparentes similaires peuvent présenter des résistances thermiques différentes en service, et on observera alors une différence comparable dans le rendement du transfert thermique.

En s’appuyant uniquement sur les valeurs de conductivité thermique apparente pour la sélection des produits, on ignore l'éventail de techniques disponibles.  Les différents procédés ou paramètres d’essai sont à l’origine d’écarts majeurs dans les valeurs de conductivité thermique apparente relevées pour un même produit. Les valeurs cotées peuvent être très élevées mais dans les faits, la dissipation thermique est considérablement réduite. Certaines techniques mesurent uniquement la somme de la résistance thermique de chaque matériau ainsi que la résistance de contact du matériau/de l'instrument. Electrolube recourt au procédé de flux de chaleur qui mesure séparément ces deux valeurs et mesure plus précisément la conductivité thermique apparente. Quel que soit le procédé utilisé, il est essentiel de l'appliquer pour la comparaison des deux produits afin d’obtenir les valeurs de conductivité apparente. Dans tous les cas, les produits doivent être testées en service afin de rendre compte de la dissipation thermique efficace.

Ceci nous amène à un autre facteur essentiel lors de la sélection du produit : l'utilisation de matériaux de gestion thermique. Qu’il s’agisse d’un composé d’encapsulation ou d’un matériau d’interface, tous les vides d’air présents dans le milieu thermiquement conducteur entraînent une diminution du taux de dissipation thermique. Pour les matériaux d’interface, la viscosité d’un produit, ou l’épaisseur minimum possible pour l’application exerce un effet majeur sur la résistance thermique. Ainsi, un composé à viscosité et conductivité thermique élevée ne pouvant être réparti uniformément sur la surface peut présenter une résistance thermique supérieure et une dissipation thermique moins efficace que celle d'un produit moins visqueux à la conductivité thermique apparente plus faible. Ce phénomène peut s'exprimer de la même manière pour les résines d'encapsulation. Plus la viscosité est élevée, plus il est difficile d’obtenir une répartition régulière de la résine. Il en résulte donc des trous d’air dans la pâte de remplissage, qui réduisent le taux de dissipation thermique. Il est essentiel que les utilisateurs tiennent compte des valeurs de conductivité thermique, de la résistance de contact, des épaisseurs d’applications et des procédés utilisés pour obtenir un rendement optimal du transfert thermique.

Le tableau 2 et le graphique ci-dessous démontrent cette nécessité de manière pratique,  en mettant en valeur les écarts potentiels de dissipation thermique lors des mesures de la température d'un appareil générant de la chaleur en service. Ces résultats reposent sur des travaux d’un utilisateur final, dans lesquels tous les produits étaient des matériaux d'interface thermique, appliqués selon le même procédé et dans la même épaisseur.

Table 2 – Comparison of effective heat dissipation using different thermal interface materials
Réf ? PRODUITCONDUCTIVITÉ THERMIQUE APPARENTE (W/m K)TEMPÉRATURE DE L’APPAREIL (°C)RÉDUCTION DE LA TEMPÉRATURE (°C)
N° de l’interface N/A 30 N/A
1 12.5 22 27%
2 1.0 24 20%
3 1.4 21 30%
4 4.0 23 23%
Comparaison de la dissipation thermique efficace avec différents matériaux d’interface thermique

Il est évident qu’une valeur de conductivité thermique apparente élevée (dans ce cas, 12,5 W/m K) n’entraîne pas nécessairement une dissipation thermique plus efficace que celle des produits dont les valeurs sont inférieures (1,4 W/m K ci-dessus). L’origine de ce phénomène peut être un procédé de traitement inadapté au produit, une difficulté d'application ou une utilisation du produit pour une fin autre que celle pour laquelle il a été prévu. Quelle qu'en soit son origine, ce phénomène souligne l'importance de la sélection du produit en fonction de l'utilisation qui en est faite.

Face aux évolutions rapides de l’industrie électronique et, plus spécifiquement, des applications à LED, il est impératif de développer de nouvelles technologies de matériaux afin de répondre aux exigences de plus en plus drastiques en matière de dissipation thermique. Electrolube a développé des technologies spécifiques pour permettre un traitement simple et efficace des composés de gestion thermique. On a ainsi obtenu des composés de moindre viscosité présentant des conductivités thermiques apparentes supérieures. Grâce à la combinaison de ces deux propriétés, ces produits offrent un taux de dissipation thermique optimal en réduisant la résistance thermique au maximum. Cette technologie est désormais appliquée aux composés d’encapsulation pour offrir des produits à teneur en charge élevée qui offrent une conductivité thermique et un flux supérieurs. Outre ses matériaux de gestion thermique, Electrolube fabrique toute une gamme de produits, notamment des revêtements enrobants et des résines d’encapsulation transparentes destinés à des applications nécessitant une protection de toute la LED. Par là même, Electrolube souligne une fois de plus l’importance du développement continu de produits chimiques formulés pour répondre aux évolutions rapides des exigences relatives à cette technologie populaire.

Jade Bridges
Spécialiste du support technique européen



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