Introduction

La miniaturisation des équipements électroniques, l’augmentation de leur puissance et la densification des composants rendent la gestion thermique de plus en plus importante. Dans les systèmes modernes, les processeurs, GPU, semi-conducteurs de puissance, modules LED, équipements automobiles, systèmes de télécommunication et applications industrielles peuvent générer une quantité importante de chaleur en fonctionnement.

Lorsque cette chaleur n’est pas correctement évacuée, l’élévation de la température peut entraîner une diminution des performances, accélérer le vieillissement des composants et des matériaux, et affecter la fiabilité ainsi que la durée de vie du système.

Parmi les différentes solutions disponibles pour améliorer le transfert thermique, la pâte thermique constitue l’un des matériaux d’interface thermique les plus couramment utilisés. Elle permet de réduire les résistances thermiques interfaciales entre une source de chaleur et un dissipateur thermique en comblant les micro-irrégularités présentes sur les surfaces de contact.

Toutefois, du point de vue de l’ingénierie thermique, le choix d’une pâte thermique ne doit pas reposer uniquement sur sa conductivité thermique nominale. L’épaisseur de la couche d’interface, la viscosité, la mouillabilité, le procédé d’application, la plage de température de fonctionnement, les propriétés électriques et la stabilité à long terme doivent également être pris en compte.

Cet article présente le rôle de la conductivité thermique dans la gestion thermique et explique comment évaluer une pâte thermique, une graisse thermique ou un gel thermique en fonction des exigences réelles d’une application.

Qu’est-ce qu’une pâte thermique ?

Les surfaces de contact entre un composant électronique et un dissipateur thermique peuvent sembler parfaitement planes à l’œil nu. En réalité, elles présentent toujours des micro-aspérités. Lorsqu’elles sont assemblées directement, de petites poches d’air peuvent rester emprisonnées entre les deux surfaces.

L’air possédant une conductivité thermique très faible par rapport à la plupart des matériaux d’interface thermique, ces microcavités peuvent augmenter sensiblement la résistance thermique de l’interface.

Une pâte thermique est formulée pour remplir ces irrégularités microscopiques et améliorer le contact thermique entre la source de chaleur et le dissipateur. Elle contribue ainsi à créer un chemin thermique plus homogène et plus efficace.

Dans l’industrie électronique, les termes graisse thermique, pâte thermoconductrice ou composé thermique peuvent également être utilisés selon la formulation et l’application. Ces matériaux ont généralement pour objectif commun de réduire la résistance thermique au niveau de l’interface entre le composant et le système de dissipation.

Les gels thermiques, en revanche, sont généralement conçus pour offrir davantage de souplesse et de capacité de déformation. Ils peuvent être particulièrement intéressants lorsque l’assemblage présente des tolérances dimensionnelles, des surfaces irrégulières ou des écarts plus importants entre les composants.

Pourquoi la conductivité thermique est-elle importante ?

La conductivité thermique, exprimée généralement en W/m·K, caractérise la capacité d’un matériau à transférer la chaleur. Pour un matériau d’interface thermique, une conductivité thermique élevée offre, toutes choses étant égales par ailleurs, un potentiel plus important pour faciliter le transfert de chaleur.

Il est cependant essentiel de rappeler que la conductivité thermique seule ne permet pas de déterminer les performances thermiques réelles d’une interface.

Dans une approche simplifiée, la résistance thermique d’une couche homogène peut être représentée par la relation suivante :

R = L / (k × A)

• R représente la résistance thermique.
• L représente l’épaisseur de la couche d’interface.
• k représente la conductivité thermique.
• A représente la surface de contact thermique effective.

Cette relation permet de comprendre pourquoi la conductivité thermique doit être considérée conjointement avec l’épaisseur réelle de la couche d’interface et la surface de contact.

Par exemple, une pâte thermique présentant une conductivité thermique élevée ne garantira pas nécessairement une résistance thermique minimale si elle est appliquée en couche excessivement épaisse.

En conception thermique, l’objectif consiste donc à obtenir une couche d’interface suffisamment fine et homogène pour assurer un transfert thermique efficace tout en compensant les micro-irrégularités des surfaces.

Conductivité thermique et performances réelles de l’interface

Comparer uniquement les valeurs de conductivité thermique indiquées dans les fiches techniques peut conduire à une mauvaise interprétation des performances réelles. Dans une application industrielle, plusieurs paramètres interviennent simultanément.

1. Épaisseur de la couche d’interface

L’épaisseur de la couche de pâte thermique influence directement la résistance thermique. À matériau identique, une augmentation de l’épaisseur entraîne généralement une augmentation de la résistance thermique propre à la couche.

L’enjeu n’est donc pas d’appliquer davantage de matériau, mais de maîtriser l’épaisseur de l’interface et d’obtenir une répartition uniforme sur toute la zone de contact.

2. Mouillabilité et capacité de remplissage

Une bonne mouillabilité permet au matériau de mieux épouser les micro-irrégularités des surfaces et de limiter la présence d’air au niveau de l’interface.

Cette caractéristique est particulièrement importante lorsque la pâte thermique est utilisée entre des surfaces en aluminium, cuivre, nickel, des substrats céramiques ou différents types de boîtiers électroniques.

3. Viscosité et procédé d’application

La viscosité constitue un paramètre important pour la mise en œuvre d’une pâte thermique. Dans les lignes de production automatisées, le matériau doit être compatible avec le procédé de dépose utilisé et permettre une application reproductible.

La dépose automatique, la sérigraphie, l’application au pochoir ou l’application manuelle peuvent imposer des exigences différentes. Une formulation présentant de bonnes performances thermiques mais difficile à doser de manière régulière peut entraîner une dispersion importante des performances entre les différents produits finis.

4. Stabilité à la température

Les composants électroniques sont fréquemment soumis à des cycles thermiques liés aux phases de démarrage, d’arrêt et aux variations de charge.

Ces variations répétées de température peuvent modifier les propriétés mécaniques et physiques du matériau d’interface. Lors de la sélection d’une pâte thermique, il convient donc d’examiner non seulement la température maximale d’utilisation, mais également la stabilité à long terme, la volatilité, la séparation éventuelle des constituants et le comportement lors des cycles thermiques.

5. Propriétés électriques

Dans certaines applications, notamment l’électronique de puissance, les systèmes automobiles, les équipements haute tension et certains systèmes de stockage d’énergie, les propriétés électriques du matériau sont aussi importantes que ses performances thermiques.

Lorsque l’architecture électrique l’exige, une solution d’interface thermique présentant des propriétés isolantes doit être privilégiée. Le choix du matériau doit donc être cohérent avec les exigences électriques et thermiques du système complet.

Pâte thermique, graisse thermique et gels thermiques : quelles différences ?

Les matériaux d’interface thermique ne présentent pas tous les mêmes propriétés mécaniques et thermiques. Leur sélection doit être effectuée en fonction de la géométrie de l’assemblage et des exigences du système.

La pâte thermique est couramment utilisée lorsque l’objectif principal est de réduire la résistance thermique d’une interface relativement mince entre une source de chaleur et un dissipateur.

La graisse thermique répond à un principe similaire. Elle est largement utilisée dans les assemblages électroniques et les interfaces entre semi-conducteurs et dissipateurs thermiques, notamment lorsque la formation d’une couche mince et homogène est recherchée.

Les gels thermiques sont généralement plus souples et présentent une meilleure capacité d’adaptation aux variations dimensionnelles. Ils peuvent être adaptés aux applications dans lesquelles les tolérances d’assemblage ou les écarts entre composants sont plus importants.

Par conséquent, il n’existe pas de matériau universellement optimal. Le choix entre pâte thermique, graisse thermique et gel thermique doit prendre en compte la puissance dissipée, la géométrie de l’interface, l’épaisseur disponible, le procédé d’assemblage et les exigences de fiabilité.

Pour une interface CPU ou GPU avec un dissipateur thermique, une pâte thermique ou une graisse thermique peut constituer une solution appropriée. Pour des interfaces présentant des écarts plus importants ou nécessitant une forte capacité de compensation dimensionnelle, un gel thermique ou un autre matériau de remplissage d’espace peut être plus pertinent.

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Pour les applications nécessitant un matériau d’interface thermique sous forme de pâte, TOUSEN propose la TSAS50 Thermal Paste comme solution destinée aux applications de gestion thermique.

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La TSAS50 peut être évaluée dans les applications nécessitant un transfert thermique efficace entre un composant générant de la chaleur et une structure de dissipation telle qu’un dissipateur thermique ou une autre interface de refroidissement.

Du point de vue de la conception, l’évaluation du matériau doit être réalisée en tenant compte de l’ensemble de l’architecture thermique, notamment :

• La puissance dissipée et le flux thermique de la source de chaleur
• La résistance thermique recherchée
• La surface de contact effective
• L’épaisseur cible de la couche d’interface
• L’état et la rugosité des surfaces
• Le procédé de dépose ou d’application
• La température réelle de fonctionnement
• Les conditions de cycles thermiques
• Les exigences de fiabilité à long terme

Pour les applications industrielles et la production en série, la régularité de la dépose doit également être prise en compte. La maîtrise de la quantité appliquée et de l’épaisseur de l’interface contribue à limiter les variations de résistance thermique entre les différents produits.

Comment choisir une pâte thermique pour une application industrielle ?

1. Déterminer la puissance thermique

La première étape consiste à déterminer la puissance dissipée par le composant ainsi que sa température maximale admissible. Les conditions réelles de charge doivent être prises en considération afin d’obtenir une estimation pertinente du besoin thermique.

2. Analyser le chemin thermique

Il est nécessaire d’identifier l’ensemble du chemin parcouru par la chaleur, depuis la source jusqu’au dissipateur, au châssis, à une plaque froide ou à toute autre structure chargée d’évacuer la chaleur.

3. Maîtriser l’épaisseur de l’interface

L’épaisseur de la couche de pâte thermique constitue un facteur déterminant de la résistance thermique. Une application contrôlée et reproductible est donc essentielle.

4. Vérifier la compatibilité avec le procédé de production

Le matériau doit être compatible avec le procédé industriel retenu, qu’il s’agisse de dépose automatique, de sérigraphie, de pochoir ou d’une application manuelle.

5. Évaluer la fiabilité à long terme

Les essais de qualification doivent tenir compte des conditions réelles d’utilisation, notamment les cycles thermiques, les vibrations, l’humidité, le vieillissement et les contraintes mécaniques susceptibles d’affecter l’interface.

Cette méthode d’évaluation permet de sélectionner une pâte thermique sur la base des performances réelles attendues, plutôt que de comparer uniquement les valeurs de conductivité thermique affichées dans les fiches techniques.

La conductivité thermique n’est qu’un élément de la performance globale

Pour un ingénieur en conception thermique, la conductivité thermique reste une caractéristique fondamentale, mais elle ne doit pas être considérée indépendamment des autres paramètres de l’interface.

Une conductivité thermique élevée permet, toutes choses étant égales par ailleurs, d'améliorer la capacité du matériau à transférer la chaleur. Toutefois, la performance réelle dépend également de l’épaisseur de la couche, de la qualité du contact, de la mouillabilité, du procédé d’application et de la conception mécanique de l’assemblage.

Une pâte thermique correctement sélectionnée doit donc être considérée comme un élément intégré à l’architecture thermique globale du produit.

De la même manière, une graisse thermique ou des gels thermiques doivent être sélectionnés en fonction de leurs propriétés thermiques, mécaniques et de mise en œuvre, et non uniquement sur la base de leur conductivité thermique.

Dans les équipements électroniques à forte densité de puissance, une réduction appropriée de la résistance thermique de l’interface peut contribuer à limiter l’élévation de température du composant. Une meilleure maîtrise thermique peut également participer à la stabilité du système, à la réduction des contraintes thermiques et à l’amélioration de la fiabilité à long terme.

Conclusion

Avec l’augmentation constante de la puissance et de la densité des équipements électroniques, la maîtrise thermique devient un enjeu essentiel pour les concepteurs et fabricants.

La pâte thermique, la graisse thermique et les gels thermiques constituent différentes solutions d’interface thermique pouvant répondre à des besoins spécifiques.

La conductivité thermique demeure un indicateur essentiel pour évaluer la capacité d’un matériau à transférer la chaleur. Cependant, une sélection fiable doit également prendre en compte l’épaisseur de l’interface, la mouillabilité, la viscosité, le procédé d’application, la température de fonctionnement, les propriétés électriques et la stabilité à long terme.

Pour les applications nécessitant une solution sous forme de pâte, la TSAS50 Thermal Paste de TOUSEN peut être intégrée au processus d’évaluation des matériaux d’interface thermique en fonction des exigences spécifiques du système.

Le matériau présentant la conductivité thermique nominale la plus élevée n’est pas nécessairement la meilleure solution pour une application donnée. Le choix optimal est celui qui permet d’obtenir les performances thermiques requises de manière stable et reproductible, tout en restant compatible avec la conception mécanique, le procédé de fabrication et les conditions réelles d’utilisation.