Choisir le bon matériau d'interface thermique : pâte, tampon ou feuille

Choisir le bon matériau d'interface thermique

La connaissance des exigences de votre application est
la clé pour choisir les bons matériaux d'interface thermique

Lorsqu'il s'agit de choisir le bon matériau thermique, de nombreuses personnes ne savent pas exactement ce qu'il faut rechercher. Dans cet article, nous aimerions vous donner tout ce que vous devez savoir sur les matériaux d'interface thermique.
Dès que les performances des composants augmentent, les besoins en refroidissement augmentent également en conséquence. En règle générale, le taux de défaillance double pour chaque augmentation de 10 °C de la température de jonction. Par conséquent, la chaleur des composants doit être dissipée dans le flux d'air ambiant.
La demande est forte, de sorte qu'un grand nombre de nouveaux systèmes de gestion thermique ont été développés. Presque tous utilisent encore des matériaux d'interface thermique (TIMS), qui sont conçus pour permettre un flux efficace de chaleur à travers les interfaces appropriées des systèmes de refroidissement.
La tâche principale des TIM est de garantir un transfert de chaleur efficace vers les dispositifs de dissipation tels que les dissipateurs thermiques ou les collecteurs. Au fur et à mesure que la chaleur circule, elle rencontre à plusieurs reprises une résistance qui complique et entrave le transfert de chaleur global. Les TIM aident à surmonter les résistances les plus problématiques. Nous parlons de la résistance de contact entre les contreparties (source de chaleur-dissipateur de chaleur).
En effet, les entrefers réduisent considérablement le flux de chaleur du composant chaud vers le composant froid. Le TIM efficace remplace les espaces existants créés par les surfaces de contact non lisses. Cela se fait à l'aide d'un matériau spécial dont la conductivité thermique est nettement supérieure à celle de l'air. Ici, la mauvaise conduction des contacts ponctuels et de l'air est remplacée par une conduction nettement améliorée à travers les solides.
La plupart des TIM sont des composites à base de polymères. Ceux-ci sont remplis de particules de charge, qui sont thermiquement conductrices. Les charges courantes sont l'oxyde d'aluminium, le nitrure de bore, le nitrure d'aluminium et l'oxyde de magnésium. Si une isolation galvanique n'est pas nécessaire, des charges métalliques telles que l'argent peuvent également être utilisées. Afin de réduire la résistance de contact, une certaine pression entre les interfaces est nécessaire. Cette pression comprime ensuite les particules de charge, permettant au matériau de s'écouler dans les irrégularités de surface. Une fois le matériau en place, la résistance thermique effective d'un TIM comprend la résistivité apparente du matériau et la résistance de contact entre le TIM et ses interfaces.

Problèmes d'application pour les matériaux d'interface thermique

Bien que les interfaces thermiques et les TIM soient généralement pris en compte au début du processus de conception, il convient ensuite de prendre en compte certains facteurs spécifiques lors de la sélection du matériau d'interface thermique :

• La spécification la plus importante est sans aucun doute l'impédance thermique, qui se mesure en degrés Kin2 / W. Il s'agit d'une mesure spécifique à l'application du rapport
  la différence de température entre deux surfaces de contact au flux de chaleur en régime permanent à travers ces surfaces. En raison de la pression de montage supplémentaire et de la taille de la zone, le
  l'impédance thermique diminue généralement tout en augmentant avec l'épaisseur du TIM.
• La capacité d'un matériau à conduire la chaleur quelle que soit son épaisseur est appelée conductivité thermique et se mesure en W/mK. Bien que les TIM puissent être comparés aux valeurs de conductivité thermique, cette valeur n'indique pas la capacité du matériau à minimiser la résistance de contact.
• La distance (écart) entre la source de chaleur et le distributeur de chaleur est également importante. Normalement, plus le TIM est fin, mieux c'est. Cependant, les interfaces ne sont jamais parfaites, il faut donc une épaisseur minimale de matière pour compenser les irrégularités.
• Afin de sélectionner le type de matériau, la planéité des surfaces de coupe est un facteur décisif. Par exemple, si les deux surfaces sont lisses, de la graisse ou des films minces sont une très bonne option, mais c'est rarement le cas. Parce que les circuits intégrés en plastique sont généralement concaves au milieu. Si le dissipateur thermique est très lisse, la surface de contact est réduite, notamment au bord. Cela laisse une poche d'air au milieu.
• Parfois, une isolation électrique, mesurée en kV, est nécessaire. Les TIM à base de silicone partagent cette propriété avec des matériaux plus épais tels que les tampons thermiques (gap filler).
  Cependant, les matériaux à changement de phase plus fins et les graisses ne sont pas nécessairement des isolants électriques fiables. Le graphite lui-même est électriquement conducteur.
• Lorsque vous travaillez avec des surfaces irrégulières, la compressibilité est un facteur crucial. Un bon exemple est lorsque vous souhaitez couvrir toute une gamme de composants. Par exemple, si de la chaleur et une surpression sont appliquées à un TIM à base de silicone, le silicone peut s'échapper et migrer le long du circuit imprimé. Si la pression est insuffisante, il y aura une résistance thermique excessive à l'interface.
• La plage de température dans laquelle le matériau peut être utilisé est également importante. Par exemple, les TIM à base de silicone peuvent résister à des températures plus élevées que les options sans silicone.
• La classe de flamme UL est requise pour la plupart des applications TIM. La majorité des matériaux parmi lesquels choisir sont disponibles avec des valeurs V0 qui répondent aux exigences typiques.
• En général, le silicone est un excellent matériau thermique avec une plage de température élevée. Néanmoins, il existe des domaines dans lesquels des variantes sans silicone doivent être utilisées. Par exemple, l'utilisation de silicone dans l'espace n'est pas possible en raison du dégazage.
• Vous devez également faire attention à une application simple. Après tout, le type d'accessoire est une décision claire en matière de coût et de performance. Par exemple, les petits dissipateurs thermiques sont généralement simplement fixés avec du ruban thermique double face, tandis que les dissipateurs thermiques plus grands nécessitent du matériel supplémentaire. Les adhésifs peuvent être appliqués sur les deux ou sur un côté du matériau thermique selon les besoins. Il convient de noter ici que l'impédance thermique augmente avec chaque couche de colle.
• Il faut également se demander dans quelle mesure il est facile de manipuler les matériaux choisis dans un environnement de fabrication. Les matériaux peuvent-ils simplement être retravaillés si, par exemple, le dissipateur thermique doit être retiré ? Les matériaux à changement de phase et la pâte thermique doivent être complètement remplacés, tandis que certains pads thermiques peuvent être réutilisés.
• Et enfin, la stabilité à long terme du matériau doit également être prise en compte. Cela dépend de facteurs tels que la température de service, le temps, l'application et les propriétés du matériau.

Options de matériaux d'interface thermique

Matériaux à changement de phase (PCM)

Ce qui est unique avec les matériaux à changement de phase (PCM), c'est qu'ils subissent une transition d'une phase solide à une phase semi-solide en utilisant la chaleur du processeur opérationnel et une légère pression de serrage. La phase semi-solide a la propriété de s'adapter très facilement aux deux surfaces. La capacité de remplir complètement les entrefers interfaciaux et les vides de surface sous une légère pression de serrage permet à ce matériau de fonctionner à égalité avec la graisse thermique.
Les PCM sont beaucoup moins liquides que les matières grasses. Cependant, les PCM contiennent des cires et au moment où la température de fusion est atteinte, les PCM peuvent s'écouler hors des zones étroites.

Heureusement, les PCM récemment introduits ne sont plus à base de cire, ils ne coulent donc pas. Les PCM sont très faciles à manipuler à température ambiante normale car ils sont solides. Cela offre plus de contrôle lors de l'application des coussinets solides sur la surface du dissipateur thermique. De nombreux pads à changement de phase créent une liaison adhésive très durable entre le dissipateur thermique et le processeur. Pour cette raison, des précautions doivent être prises lors du retrait du dissipateur thermique du processeur. Un petit mouvement de torsion aide généralement au retrait. Appliquer trop de force peut endommager le processeur.

Thermal Compound

Les pâtes thermoconductrices sont généralement des silicones enrichies de charges thermoconductrices. Le durcissement n'est généralement pas nécessaire et ils peuvent couler et s'adapter parfaitement aux interfaces. Les interfaces thermiques peuvent facilement être retravaillées. Cependant, il faut s'assurer que suffisamment de pâte ou de graisse a été appliquée avant d'installer le dissipateur thermique. Trop peu de graisse peut entraîner des espaces entre le dissipateur thermique et le processeur. D'un autre côté, trop de graisse peut également être contre-productif car cela peut entraîner des entrefers et des fuites à l'extérieur de l'interface. Il faut également noter qu'avec une utilisation prolongée et généralement dans le temps, certaines graisses peuvent se détériorer ou se dessécher. Bien sûr, cela a un effet négatif sur les performances de transfert de chaleur. Les pâtes thermiquement conductrices comme matériaux d'interface (TIM) sont néanmoins les
premier choix dans les applications avec des processeurs hautes performances - malgré les inconvénients mentionnés ci-dessus. Ceci est principalement dû au fait que la conductivité thermique des graisses thermiques est de l'ordre de 10 W/mK, ce qui est nettement supérieur aux autres TIM.

Gap remplissage

L'un des segments de marché les plus importants pour les TIM est celui des remplisseurs d'écarts. Ceux-ci peuvent être fournis en différentes forces. Ces matériaux efficaces, souples et hautement conducteurs thermiquement peuvent couvrir des espaces allant jusqu'à 15 mm. Les remplisseurs d'espaces pratiques peuvent couvrir plusieurs composants de différentes hauteurs, puis transférer la chaleur dans un dissipateur de chaleur commun. Ces coussinets sont populaires et souvent utilisés lorsque de faibles forces de compression sont requises. La compressibilité relativement élevée est donc une caractéristique importante de ce type de TIM. Les remplisseurs d'espace peuvent également être façonnés individuellement et les nouvelles connexions de remplissage d'espace Formin-Place en particulier sont une option populaire pour automatiser les grands
tomes.

feuilles thermiques

Les feuilles thermiquement conductrices assurent non seulement le transfert de chaleur, mais fournissent également une isolation électrique. En termes de résistance à la déchirure et de résistance à la perforation, les films thermiques offrent une excellente durabilité. Les feuilles d'interface thermique en silicone et sans silicone (par exemple, le polyuréthane chargé de céramique) et les matériaux en graphite entrent dans cette catégorie. La gamme des conductivités thermiques et des gammes de prix est large, afin que chacun puisse trouver une bonne solution.

Tampons d'espacement

Les tampons thermiques consistent généralement à mouler du silicone non renforcé avec des charges conductrices. Les renforts de coussin thermique sont généralement du verre tissé, des feuilles métalliques ou des films polymères. Les coussinets thermiques pratiques sont généralement prédécoupés en différentes tailles pour s'adapter aux composants de différentes tailles. Alors que les matériaux à changement de phase et la pâte thermique sont nettement supérieurs en termes de conduction, les pads thermiques ont l'avantage d'être une option bon marché et pratique pour les applications avec des besoins de refroidissement inférieurs.

feuilles de graphite

Cette option économique est utilisée depuis longtemps. Les feuilles sont électriquement conductrices et peuvent être utilisées à des températures très élevées allant jusqu'à 500 ºC. Certains fournisseurs alignent les fibres horizontalement. Il en résulte des mesures de conductivité thermique très différentes. Il existe un matériau qui affiche 7,0 W / mK sur l'axe x et 150,0 W / mK sur l'axe yz - une nette différence.

Rubans thermiques double face

Une bande thermique peut être constituée d'un treillis de cuivre nickelé finement tissé qui se conforme étroitement aux surfaces de montage irrégulières. Pour fixer de petits dissipateurs thermiques aux composants, des rubans adhésifs double face thermiquement conducteurs en PSA sont très souvent utilisés. Les facteurs importants ici sont la résistance au pelage, la résistance au cisaillement du recouvrement et du poinçonnage, le pouvoir de maintien et la résistance thermique. Quant aux performances en termes de conduction thermique des rubans adhésifs double face, elles se situent dans la moyenne. Bien que vous économisiez sur des pièces d'assemblage supplémentaires, les bandes ont des problèmes avec les surfaces irrégulières des composants et ne sont donc que d'une utilité limitée. Les circuits intégrés en plastique sont généralement concaves au milieu et les surfaces du dissipateur thermique varient, ce qui peut provoquer des vides d'air dans l'interface.

adhésifs thermiques

Les adhésifs thermiques - également appelés adhésifs thermiques - peuvent être des systèmes à un ou deux composants. Ceux-ci sont équipés de charges conductrices. L'application se fait généralement par dosage ou impression au pochoir. Le durcissement de l'adhésif est nécessaire pour permettre une réticulation sûre du polymère, qui fournit la propriété adhésive. Le fait que les adhésifs thermiques fournissent un support structurel, éliminant le besoin de serrage mécanique, est certainement le plus grand avantage de ce TIM.

gels thermiques

Les gels sont un matériau similaire aux graisses qui est légèrement réticulé. Le comportement est d'autant similaire, le ressuage du matériau étant réduit.

TIM en métal

Les matériaux d'interface thermique métallique peuvent être fabriqués dans toutes sortes de formes et ne sont actuellement plus limités aux applications de soudage. Dans de nombreuses applications, les TIM en métal peuvent très bien être retravaillés et peuvent également être recyclés sans aucun problème.
Récemment, le besoin de TIM hautes performances dans des dispositifs spéciaux tels que les amplificateurs de puissance et les modules IGBT a augmenté, ce qui a conduit les fabricants à explorer d'autres types de TIM métalliques.
De bons exemples sont : les métaux liquides, les métaux à changement de phase et les SMA-TIM (alliages de métaux mous).
Le plus facile à utiliser est certainement le matériau d'interface thermique en métal souple ou compressible (SMA-TIM). Les TIM métalliques sont hautement thermiquement conducteurs, fiables et faciles à utiliser avec des métaux compressibles.

Récemment, un matériau hybride a également été développé, composé d'un film de silicone thermoconducteur d'un côté et d'un film de cuivre de l'autre. Ce matériau est particulièrement adapté à la fabrication de circuits flexibles et à la protection contre les bruits EMI et RFI.

Conclusion

Malheureusement, les interfaces thermiques ne sont souvent envisagées qu'assez tard dans la phase de conception des systèmes de refroidissement. Ce n'est certainement pas le meilleur plan d'action. Après tout, les TIM sont clairement un facteur clé dans le coût de la conception de la gestion thermique.Aujourd'hui, il y a généralement de plus en plus de chaleur excédentaire à gérer, c'est pourquoi il y a clairement une forte demande pour des TIM hautes performances.
Lorsqu'ils sont utilisés judicieusement, les matériaux d'interface thermique contribuent à réduire la taille des dissipateurs thermiques et le besoin de ventilateurs de plus en plus gros. De plus, un bon TIM est une option plus facile, plus rapide et nettement moins chère que de changer les dissipateurs thermiques ou de reconcevoir entièrement le boîtier.