À l’ère de l’IA, pourquoi la pâte thermique reste essentielle à la gestion thermique

Le développement rapide de l’intelligence artificielle transforme les exigences en matière de conception thermique. Les serveurs dédiés à l’IA, les GPU, les CPU, les accélérateurs de calcul et les systèmes de puissance fonctionnent désormais avec des densités de puissance toujours plus élevées. Dans ce contexte, évacuer efficacement la chaleur ne consiste plus simplement à augmenter la taille d’un dissipateur thermique ou la vitesse d’un ventilateur.

Du point de vue de l’ingénierie, l’interface entre un composant électronique générant de la chaleur et son système de refroidissement joue un rôle déterminant dans les performances thermiques globales. C’est précisément dans cette zone que les matériaux d’interface thermique, notamment la pâte thermique, la graisse thermique, le gel thermique et les pads thermiques, apportent une réponse adaptée à différents besoins.

Le choix d’un matériau d’interface thermique ne doit toutefois pas reposer uniquement sur sa conductivité thermique nominale. La résistance thermique, l’épaisseur de la couche d’interface, les propriétés rhéologiques, la capacité de mouillage, le procédé d’application, les contraintes mécaniques et la stabilité à long terme doivent également être pris en compte.

Pourquoi l’IA augmente les exigences en matière de gestion thermique

La généralisation de l’intelligence artificielle entraîne une augmentation considérable de la puissance de calcul dans les centres de données, les serveurs, les stations de travail et les systèmes embarqués. Les CPU, GPU et accélérateurs d’IA sont capables de concentrer une quantité importante de puissance dans une surface relativement réduite.

Cette évolution impose aux ingénieurs de concevoir des chemins thermiques plus efficaces. Même lorsqu’un boîtier de semi-conducteur et un dissipateur thermique sont usinés avec précision, leurs surfaces présentent toujours des irrégularités microscopiques. Deux surfaces solides parfaitement en contact en apparence peuvent donc conserver de petites cavités contenant de l’air.

Or, l’air possède une conductivité thermique relativement faible. Ces microvides peuvent ainsi augmenter la résistance au transfert de chaleur entre le composant et le dissipateur.

La fonction principale d’une pâte thermique consiste précisément à remplir ces irrégularités microscopiques afin d’améliorer le contact thermique. Elle ne doit donc pas être considérée uniquement comme un matériau présentant une conductivité thermique élevée, mais comme un élément permettant d’optimiser le chemin de transfert thermique entre la source de chaleur et le système de refroidissement.

Pâte thermique, graisse thermique et gel thermique : quelles différences ?

Dans le secteur des matériaux thermiques, les termes pâte thermique et graisse thermique peuvent parfois être employés de manière interchangeable. Cependant, les formulations disponibles sur le marché peuvent présenter des différences importantes en matière de matrice, de charges thermoconductrices, de viscosité, de comportement rhéologique, de mouillabilité et de stabilité à long terme.

Pour une interface relativement fine et bien contrôlée entre un composant électronique et un dissipateur, une pâte thermique correctement sélectionnée peut constituer une solution efficace. Selon sa formulation et les exigences du processus industriel, elle peut être appliquée par dosage, sérigraphie, dépôt automatisé ou par d’autres procédés maîtrisés.

La graisse thermique constitue quant à elle une technologie largement éprouvée dans le domaine de l’électronique. Sa capacité à s’adapter aux micro-irrégularités des surfaces permet d’améliorer le contact thermique entre différents composants. Elle peut notamment être étudiée pour les CPU, les GPU, les semi-conducteurs de puissance et différents modules électroniques.

Le gel thermique répond généralement à une autre problématique. Sa formulation vise davantage la souplesse, la conformité aux surfaces et la capacité à combler des jeux ou des écarts dimensionnels. Lorsque les tolérances d’assemblage ou les différences de hauteur entre composants génèrent un espace plus important, un gel thermique peut être une solution plus appropriée qu’une pâte classique.

Il n’existe donc pas de matériau universellement supérieur. La sélection entre pâte thermique, graisse thermique et gel thermique doit être réalisée en fonction de la géométrie de l’interface, de l’épaisseur du joint thermique, de la résistance thermique recherchée, du procédé d’assemblage, des contraintes mécaniques et des conditions d’utilisation.

Pourquoi la graisse thermique conserve sa pertinence à l’ère de l’IA

L’essor des systèmes d’IA stimule naturellement la recherche de matériaux d’interface thermique plus performants. Cela ne signifie toutefois pas que les technologies conventionnelles de graisse thermique et de pâte thermique deviennent obsolètes.

Pour les interfaces présentant un faible espace et des conditions d’assemblage relativement bien maîtrisées, les matériaux thermiques sous forme de pâte restent particulièrement intéressants. Leur comportement fluide permet de s’adapter aux irrégularités microscopiques des surfaces et de contribuer à réduire les zones de contact thermique défavorables.

La compatibilité avec les procédés de fabrication constitue également un facteur essentiel. Les serveurs d’IA et les équipements de calcul haute performance sont généralement fabriqués selon des processus de production fortement standardisés. Le matériau d’interface thermique doit donc présenter une bonne compatibilité avec les équipements de dosage automatique, tout en permettant un contrôle précis de la quantité appliquée et de l’épaisseur de la couche thermique.

La stabilité à long terme est également déterminante. Pour les serveurs et équipements informatiques fonctionnant en continu, les performances thermiques initiales ne suffisent pas à garantir la fiabilité du système. Les matériaux doivent être évalués dans des conditions représentatives de leur environnement d’utilisation, notamment lors de cycles thermiques et d’expositions prolongées à des températures élevées.

Pourquoi la conductivité thermique ne suffit pas pour choisir une pâte thermique

Lorsqu’un client compare plusieurs matériaux d’interface thermique, la conductivité thermique est souvent le premier paramètre consulté. Elle constitue effectivement une donnée importante, mais elle ne permet pas à elle seule de prédire les performances thermiques d’un assemblage réel.

La performance globale dépend également de l’épaisseur de la couche d’interface, de la qualité du contact entre les surfaces, de la quantité appliquée, de la rugosité des surfaces, de la viscosité du matériau et de la conception globale du système de refroidissement.

Par exemple, une quantité excessive de pâte thermique peut conduire à une couche d’interface inutilement épaisse. La chaleur doit alors traverser une quantité plus importante de matériau, ce qui peut augmenter la résistance thermique de l’interface.

À l’inverse, une quantité insuffisante peut ne pas permettre de remplir correctement les microcavités présentes entre les deux surfaces. L’objectif d’un ingénieur n’est donc pas d’appliquer la plus grande quantité possible de pâte thermique, mais de déterminer une épaisseur d’interface appropriée et reproductible.

Les propriétés rhéologiques de la graisse thermique doivent également être prises en considération. La viscosité, le comportement thixotrope et la capacité d’étalement peuvent avoir une influence directe sur la facilité d’application et la stabilité du matériau pendant le fonctionnement du système.

TSAS50 de TOUSEN pour les applications de gestion thermique électronique

Pour les applications nécessitant une interface thermique efficace entre un composant générant de la chaleur et un système de refroidissement, TOUSEN propose le TSAS50 Thermal Paste, destiné aux applications de gestion thermique des composants électroniques.

Le TSAS50 peut être évalué dans des applications telles que les CPU, GPU, composants de puissance et modules électroniques lorsque l’amélioration du transfert thermique au niveau de l’interface constitue un objectif important de la conception.

Dans le cadre d’un projet industriel, le choix du matériau ne devrait cependant pas être basé sur un seul paramètre. Les ingénieurs doivent prendre en considération la puissance thermique du composant, les dimensions de l’interface, la résistance thermique cible, le mode d’application, les conditions d’assemblage, la température de fonctionnement et les exigences de durée de vie.

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Comment sélectionner un matériau d’interface thermique adapté

La sélection d’un matériau d’interface thermique doit commencer par l’analyse des conditions réelles de l’interface entre la source de chaleur et le dispositif de refroidissement.

Lorsque l’espace entre un boîtier de semi-conducteur et un dissipateur est faible et relativement uniforme, la pâte thermique ou la graisse thermique peut constituer une première solution à évaluer. Lorsque l’assemblage présente des variations importantes de hauteur ou des espaces plus conséquents, un gel thermique ou un autre matériau de remplissage souple peut être plus adapté.

Pour les serveurs d’IA et les systèmes de calcul haute performance, les essais de validation doivent également dépasser la simple mesure des performances thermiques initiales. Selon l’application, il peut être nécessaire d’évaluer le comportement lors de cycles thermiques, d’un fonctionnement prolongé à haute température, de contraintes mécaniques et du vieillissement à long terme.

La régularité du processus de fabrication est également essentielle pour les applications en série. Un matériau offrant de bonnes performances dans un environnement de laboratoire ne garantit pas automatiquement les mêmes résultats en production si la quantité déposée, l’épaisseur de l’interface ou les conditions d’application ne sont pas suffisamment maîtrisées.

Conclusion : privilégier le bon matériau plutôt que la conductivité maximale

La généralisation de l’IA entraîne une augmentation continue des performances et de la densité de puissance des équipements électroniques. Pourtant, le principe fondamental de la gestion thermique reste inchangé : la chaleur doit être transférée efficacement depuis la source thermique vers le système de refroidissement.

La pâte thermique, la graisse thermique et le gel thermique répondent à des conditions d’interface différentes. Il est donc plus pertinent de les considérer comme des solutions complémentaires plutôt que comme des matériaux directement concurrents.

Pour les CPU, GPU, accélérateurs d’IA, serveurs et semi-conducteurs de puissance, le choix du matériau d’interface thermique peut contribuer à améliorer les performances thermiques et la fiabilité du système. Dans de nombreux projets, le matériau le plus performant n’est pas nécessairement celui qui affiche la conductivité thermique la plus élevée, mais celui qui offre le meilleur compromis entre résistance thermique, comportement à l’interface, facilité de mise en œuvre et stabilité à long terme.

À mesure que les équipements dédiés à l’IA deviennent plus compacts et plus puissants, l’ingénierie des interfaces thermiques prendra une importance croissante. Une évaluation globale de la résistance thermique, de l’épaisseur de la couche d’interface, des propriétés rhéologiques, de l’applicabilité et de la fiabilité à long terme permettra de développer des solutions de gestion thermique plus robustes et mieux adaptées aux exigences industrielles.