1. Définition et principales applications de la pâte thermique

La graisse thermique, appelée avec précision graisse de silicone thermique ou composé thermique, est un TIM pâteux composé d'huile de silicone comme fluide de base, rempli de particules thermiquement conductrices (par exemple, alumine, oxyde de zinc, nitrure de bore, nitrure d'aluminium).

Sa fonction principale est de combler les espaces d'air microscopiques entre une source de chaleur (par exemple, CPU, GPU, semi-conducteur de puissance) et un dissipateur thermique. En déplaçant l'air (un mauvais conducteur thermique avec une conductivité d'environ 0,026 W/(m·K)), il établit une voie efficace pour la conduction thermique. Les graisses thermiques hautes performances peuvent posséder des valeurs de conductivité thermique allant de 1 à plus de 10 W/(m·K), réduisant considérablement la résistance thermique interfaciale globale.

Les principaux scénarios d'application incluent :

• Electronique grand public : refroidissement des processeurs/GPU des ordinateurs personnels et des principales puces des smartphones.
• Équipement de télécommunications : dissipation thermique pour les puces principales des serveurs, des stations de base et des routeurs.
• Véhicules à énergies nouvelles : refroidissement des dispositifs d'alimentation dans les unités de commande de conduite électrique (IGBT), les chargeurs embarqués (OBC) et les systèmes de gestion de batterie (BMS).
• Electronique industrielle et de puissance : dissipation thermique dans les variateurs de fréquence, les onduleurs et les modules d'alimentation haute puissance.

2. Développement historique de la graisse thermique

L’évolution de la graisse thermique est intrinsèquement liée aux progrès de l’industrie des semi-conducteurs. Dans les années 1960 et 1970, avec l’avènement des circuits intégrés, la densité de puissance des puces a commencé à augmenter, rendant le simple contact mécanique insuffisant pour dissiper la chaleur. Les premiers TIM étaient des formes rudimentaires de graisses ou de tampons.

Années 1970-1990 : recherche fondamentale et commercialisation

Cette période impliquait des recherches systématiques sur les effets de diverses charges (par exemple, poudres métalliques, oxydes) sur les propriétés thermiques des matériaux composites. Les graisses à base de silicone remplies d'alumine ou d'oxyde de zinc de l'ordre du micron sont devenues la solution courante. Des sociétés comme Dow Corning (plus tard intégrée à Dow Inc.) et Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., tirant parti de leur profonde expertise en chimie des silicones, ont été pionnières dans le développement de produits commerciaux standardisés et fiables (par exemple, Dow Corning 340), établissant ainsi les bases de l'industrie [1]. Ces premiers produits avaient généralement des conductivités thermiques inférieures à 1 W/(m·K), mais répondaient efficacement aux besoins de refroidissement initiaux.

Fin des années 1990-début des années 2000 : avancées en matière de performances et normalisation

L'explosion des secteurs des PC et des serveurs, associée à l'augmentation rapide de la puissance des processeurs, exigeait des TIM plus performants. L'industrie a commencé à adopter des charges céramiques présentant une conductivité intrinsèque plus élevée, telles que le nitrure de bore (BN) et le nitrure d'aluminium (AlN). Parallèlement, la normalisation des méthodes d’essai a pris de l’importance. La norme ASTM D5470 – « Méthode de test standard pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs » – a été largement acceptée, fournissant une référence unifiée pour comparer les produits [2].

Années 2000 à aujourd’hui : diversification et concurrence de haute performance

Depuis le début du siècle, notamment en Chine, l’industrie du TIM a connu une croissance rapide. Poussées par le soutien politique et la demande du marché, plusieurs entreprises chinoises ont connu une croissance rapide. Ils ont non seulement conquis une part de marché significative dans les segments moyens et bas de gamme, mais ont également réalisé des percées continues dans le segment haute performance grâce à des investissements soutenus en R&D. La recherche s'est concentrée sur le nanodimensionnement et l'hybridation des charges, ainsi que sur la modification de l'huile de base, dans le but d'obtenir une conductivité plus élevée, une résistance thermique plus faible et une stabilité supérieure à long terme.

3. Aperçu des principales marques mondiales de graisse thermique

3.1 Principales marques internationales

Dow Inc.

En tant que leader mondial des silicones et des matériaux chimiques, Dow possède un profond héritage technique grâce à son acquisition de Dow Corning. Sa gamme de graisses thermiques est vaste, réputée pour sa grande fiabilité et sa stabilité à long terme, ce qui la rend adaptée aux applications exigeantes des secteurs automobile et industriel. Un produit représentatif, le Dow TC-5625 , est connu pour ses excellentes propriétés de résistance au pompage et d'isolation électrique. Les produits Dow mettent souvent l'accent sur des performances globales équilibrées plutôt que sur un seul paramètre extrême.

Shin-Etsu Chemical (Japon)

Un leader mondial des plaquettes de silicium et des silicones. Dans le secteur TIM, Shin-Etsu jouit d'une réputation exceptionnelle en matière de technologie de pointe et de performances produit supérieures, en particulier sur le marché du refroidissement CPU haut de gamme. Les produits classiques comme le Shin-Etsu X-23-7762 sont depuis longtemps très appréciés. Le Shin-Etsu 7921 , plus récent, est un choix privilégié pour de nombreuses marques d'ordinateurs et de serveurs en raison de sa très faible volatilité et de son excellente durabilité. Shin-Etsu établit souvent des références industrielles en matière de conductivité thermique et de résistance.

3.2 Le développement rapide des marques chinoises

Au cours des 20 dernières années, les entreprises chinoises de TIM sont passées du statut de suiveurs à celui de participants et, dans certains domaines, de leaders. Initialement compétitif par l'imitation et le faible coût, l'accent s'est désormais déplacé vers la R&D indépendante et l'innovation.

• Avancement technologique : les entreprises chinoises ont réalisé des progrès significatifs dans la technologie de traitement de surface et de formulation des charges à haute conductivité. La conductivité thermique du produit est passée de 1 à 2 W/(m·K) à plus de 10 W/(m·K) dans certains cas, atteignant le niveau supérieur mondial.
• Application au marché : Tirant parti des avantages de la chaîne d'approvisionnement locale et d'un service réactif, les marques chinoises ont réussi à entrer dans les chaînes d'approvisionnement de grandes entreprises nationales telles que Huawei, ZTE, BYD et Lenovo, élargissant progressivement leur présence internationale.

4. L'importance critique de la résistance thermique : sa relation avec la conductivité thermique et le calcul

4.1 La limitation de la conductivité thermique et la primauté de la résistance thermique

Une idée fausse courante consiste à considérer la « conductivité thermique » comme le seul indicateur de performance. La conductivité thermique (λ) est une propriété intrinsèque du matériau, définie comme le flux de chaleur par unité de surface sous un gradient de température unitaire, avec des unités de W/(m·K). Il décrit uniquement la capacité inhérente du matériau à conduire la chaleur.

Cependant, dans la pratique, la graisse thermique existe sous la forme d’une fine couche entre deux surfaces. Son efficacité de refroidissement ultime dépend non seulement de (λ), mais également de manière critique de l' épaisseur de la ligne de liaison (d) et de la qualité du contact interfacial. La résistance thermique (R) est le paramètre qui intègre de manière globale à la fois les propriétés du matériau et la forme géométrique, reflétant directement la « résistance » totale au flux de chaleur à travers l’interface. Une résistance thermique plus faible signifie de meilleures performances de refroidissement.

La résistance thermique (R) est définie comme la différence de température (ΔT) à travers un chemin de flux de chaleur divisée par le débit de chaleur (P, puissance), avec des unités de °C/W ou K/W. La formule est :

Où:

• R : Résistance thermique totale (K/W)
• ΔT : différence de température à travers la couche TIM (K)
• P : Puissance du flux thermique (W)

Pour la couche de graisse thermique elle-même, sa résistance thermique spécifique (R_TIM) peut être calculée en fonction de son épaisseur et de sa conductivité :

Où:

• R_TIM : Résistance Thermique de la couche TIM (K/W)
• d : Épaisseur moyenne de la couche TIM (m)
• λ : Conductivité thermique de la graisse (W/(m·K))
• A : Surface de couverture de la graisse (m²)

4.2 Interprétation de la relation

D'après la formule R_TIM = d / (λ × A) , il ressort que :

• La résistance thermique (R) est directement proportionnelle à l'épaisseur (d). Une couche appliquée plus fine entraîne une résistance thermique plus faible, toutes choses étant égales par ailleurs.
• La résistance thermique (R) est inversement proportionnelle à la conductivité thermique (λ). Un (λ) plus élevé donne un (R) plus faible.
• Par conséquent, un produit à conductivité thermique élevée peut présenter une résistance thermique effective plus élevée s'il entraîne une ligne de liaison plus épaisse en raison de sa viscosité ou de sa méthode d'application, par rapport à un produit à conductivité légèrement inférieure qui forme une couche ultra fine et stable.

5. Tableau comparatif des produits à faible résistance thermique des marques mondiales

Le tableau suivant compile les données des produits annoncés comme ayant une faible résistance thermique par Dow et Shin-Etsu. Il est crucial de noter que la comparaison directe de ces valeurs requiert de la prudence, car les conditions de test (par exemple, pression, température, équipement) peuvent varier d'un fabricant à l'autre. Toutes les données proviennent des fiches techniques officielles de l'entreprise et sont fournies à titre de référence uniquement.

Remarque : des marques comme Shin-Etsu et Dow indiquent souvent l'impédance thermique en unités impériales (K·in²/W). À des fins de comparaison uniquement, cela peut être approché par la résistance thermique (K/W) en supposant une surface de contact standard de 1 po² (6,45 cm²) : R (K/W) ≈ R (K·in²/W). Le R réel est inversement proportionnel à la surface. 1 K·in²/W = 0,00064516 K·m²/W.

6. Orientations futures du développement de la graisse thermique

Le développement futur de la technologie des graisses thermiques progressera probablement dans les directions suivantes :

1. Recherche d'une conductivité thermique plus élevée et d'une résistance thermique plus faible

La R&D continuera à se concentrer sur de nouvelles charges comme le graphène et les nanotubes de carbone. Les défis résident dans la stabilité de la dispersion au sein de la matrice silicone et dans la réduction des coûts. Pour obtenir une résistance thermique plus faible, il faudra construire des voies thermiques plus efficaces grâce au contrôle de la morphologie des charges (sphéroïdisation) et au mélange de la taille des particules (micro + nano).

2. Amélioration de la fiabilité globale

Au-delà de la faible résistance thermique initiale, la stabilité à long terme est primordiale. Cela comprend :

• Faible purge/sans pompage : empêche l'huile de silicone de se séparer sous une chaleur prolongée ou d'être pompée de l'interface pendant le cycle thermique.
• Stabilité thermique à long terme : évite la dégradation des performances due au durcissement ou au séchage à haute température.
• Résistance au vieillissement : garantir une dégradation prévisible des performances tout au long de la durée de vie opérationnelle du produit.

3. Optimisation des processus de candidature

Développer des formulations adaptées aux processus de distribution automatisés de grands volumes (par exemple, impression au pochoir, jet). Cela nécessite des graisses avec une viscosité, une thixotropie et une aptitude à l'étalement adaptées. Les matériaux à changement de phase (PCM), solides à température ambiante pour la manipulation mais liquéfiés aux températures de fonctionnement pour combler les lacunes, représentent une direction alternative.

4. Durabilité et sécurité

Avec des réglementations environnementales de plus en plus strictes (par exemple REACH, RoHS), le développement d'alternatives plus respectueuses de l'environnement, telles que des formulations sans silicone, des huiles d'origine biologique ou des graisses à faible teneur en composés organiques volatils (COV), est une tendance à long terme.