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Matériaux d'interface thermique : Faciliter la procédure de prise de décision

GB DE Posted on 19 March 2019 by Electrolube
Étiquettes: FAQ, dissipation thermique

J'ai présenté l'année dernière les matériaux de gestion thermique – pourquoi ils sont nécessaires, quels sont les matériaux et méthodes disponibles, comment les appliquer au mieux, etc. – en appuyant chaque blog sur les questions les plus souvent posées par nos clients. Jusqu'à maintenant, mon collègue, Alistair Little, a traité plus en détail des résines dans chacun de ses articles ; j'ai maintenant été réinvité à reprendre la suite de mes derniers articles, cette fois en étudiant de plus près les aspects pratiques de la gestion thermique avec ce guide en cinq points du choix et de l'application des matériaux.

Comprendre les dimensions – interface ou remplissage d'intervalle ?

La connaissance des dimensions  et épaisseur d’application est essentielle pour choisir les matériaux de gestion thermique appropriés. Une interface thermique est l'espace entre un composant et son dissipateur thermique, et le produit conducteur thermique utilisé dans cet espace est appelé matériau d'interface thermique (thermal interface material – TIM). Cet espace est d'habitude très étroit, de l'ordre du micron. Une application de remplissage d'intervalle par contre s'intéresse plus à la distance entre un composant et le boîtier métallique qui enveloppe un montage électronique, et se mesure couramment en millimètres. Dans ce cas, un matériau conducteur thermique permet de réduire les risques de points chauds dans l'appareil lui-même en utilisant l'enveloppe comme dissipateur thermique.

La différence entre quelques microns et quelques millimètres peut être critique pour les performances du matériau thermique choisi. Si, par exemple, vous utilisez un matériau d'interface dans une application de remplissage d'intervalle, il sera probablement instable en couche épaisse : suite aux vibrations ou après quelques cycles de température, il pourrait facilement être déplacé. De même, si un matériau de remplissage d'intervalle est utilisé dans une application d'interface thermique, il sera très difficile d'obtenir un film mince et régulier, créant ainsi une résistance thermique supérieure à l'interface et réduisant en conséquence l'efficacité du transfert thermique.

Collage ou non – pâte ou tampon ?

Il existe de nombreux types de matériaux conducteurs thermiques, et le choix entre eux dépend des exigences de production et de la méthode d'application, ainsi que des facteurs de performances critiques à atteindre. Par exemple, le choix entre un matériau collant ou non peut dépendre de la nécessité de maintenir en place le dissipateur thermique par le matériau d'interface, dans ce cas un produit collant est le meilleur choix. Il est aussi possible qu'un produit fixe (qui ne se déplace pas) soit exigé, dans ce cas il peut être approprié de choisir un tampon thermique, avec l'avantage supplémentaire d'une prédécoupe à dimension pour faciliter l'application.

Néanmoins, ces deux choix peuvent se traduire par une couche d'interface plus épaisse et donc une résistance thermique supérieure. Le compromis est alors à faire entre les exigences de performances du produit choisi et la compréhension des conditions d'application.

Optimisation de l'efficacité du transfert thermique sur une large plage de température.

Les variations thermiques sont courantes dans les applications de dissipation thermique parce que la plupart des appareils sont successivement allumés et éteints, ou ont des exigences de puissance variables pendant l'utilisation. De plus, les variations de température dans l'environnement peuvent conduire à des variations extrêmes dans l'appareil – les applications automobiles en sont un bon exemple, car elles doivent aussi fonctionner après coupure d'alimentation dans des conditions bien au-dessus et bien en dessous de ce qu'on pourrait considérer comme une température ambiante standard.

Il est donc essentiel pour le produit de dissipation thermique choisi de fonctionner dans les limites de température définies pour l'appareil, tout en maintenant ses performances dans des conditions variables. Un problème courant est "l'éjection" (ou « pump-out ») où les contraintes exercées par les variations instantanées de dimension des supports d'interface peuvent faire déplacer au cours du temps un matériau d'interface non durcissant. La capacité d'un matériau d'interface thermique à résister à ces contraintes permet d'améliorer les performances de l'appareil sur sa durée de vie, et dépend de l'épaisseur d'interface, ainsi que du type et de la quantité de matériau appliqué.

Quand les effets thermiques sont notables, il peut être intéressant d'envisager l'utilisation de matériaux à changement de phase – ces produits non durcissants et non collants deviennent légèrement plus mous au-dessus de leur température de changement de phase. Les propriétés de ces matériaux leur permettent de se conformer aux contours de l'interface et d'assurer une résistance thermique bien plus basse qu'un produit polymérisé durci, tout en réduisant au minimum les effets d'éjection, couramment constatés avec les produits non durcissants. Néanmoins, si un matériau à changement de phase est utilisé dans un appareil qui fonctionne couramment en dessous de la température de changement de phase, le matériau reste sous forme solide et n'assure pas une résistance thermique aussi basse qu'attendue.

Conditions d'environnement – une protection est-elle nécessaire ?

En dehors des variations thermiques, d'autres facteurs d'environnement sont à prendre en compte. Un matériau d'interface thermique ou de comblement d'intervalle doit aussi résister à d'autres conditions d'environnement telles qu'une forte humidité, des brouillards salins, des gaz corrosifs, etc. Il est donc important de prendre en compte dès la phase de conception l'influence ou non de ces facteurs externes sur les performances du produit thermique. Du fait qu'un matériau d'interface thermique s'applique d'habitude en couche très mince entre deux supports, il est peu probable qu'il soit totalement exposé à ces conditions d'environnement ; néanmoins, un matériau de remplissage d'intervalle peut être soumis à des environnements plus difficiles, et dans ce cas, la meilleure approche pourrait être de passer d'un matériau de remplissage d'intervalle à un produit de protection complète, par exemple une résine d’encapsulation conductrice thermique.

Comment appliquer le matériau d'interface thermique ?

La technique d'application dépend du type de produit. Pour les produits durcissants comme non durcissants, la méthode d'application peut être la sérigraphie ou la distribution automatique, la seule différence étant dans le temps ouvrable disponible pour un matériau durcissant qui polymérise. Par exemple, si le produit est rapidement sec au toucher, il peut ne pas convenir à la sérigraphie car le produit durci pourrait obstruer le masque. Dans la plupart des cas, il faut appliquer une quantité minimale de matériau pour les applications d'interface thermique et de remplissage d'intervalle pour assurer un transfert thermique maximal. Pour une interface thermique, la couche doit assurer une couverture uniforme sur la totalité de la surface de l'interface ; avec un matériau de remplissage d'intervalle, celui-ci doit être appliqué de façon à s'assurer d'expulser tout l'air, car l'air est un mauvais conducteur thermique et peut causer des points chauds supplémentaires.

Si une résine d’encapsulation se révèle le meilleur choix, il est probable que la totalité du circuit imprimé doive être recouverte. La quantité de résine appliquée devra assurer le compromis entre l'obtention du niveau de protection voulu et les augmentations de poids et de volume dues à la résine.

J'espère que ce qui précède a été une présentation utile des matériaux de gestion thermique. Restez à l'écoute de mon prochain article, où je continuerai d'explorer des matériaux de gestion thermique.