Facteurs à prendre en compte lors du choix des matériaux d'interface thermique

De l'électronique grand public à l'aérospatiale, tous les appareils électroniques nécessitent une gestion thermique active pour dissiper efficacement la chaleur des composants. Le goulot d'étranglement de la gestion thermique est souvent la conduction entre les composants générateurs de chaleur et les composants de refroidissement. Malheureusement, de nombreux appareils électroniques ne peuvent pas obtenir un refroidissement suffisant des dissipateurs de chaleur ou des ventilateurs en raison de l'espace limité. Dans ces applications, les performances des matériaux d'interface thermique sont encore plus importantes.

Les méthodes les plus courantes pour extraire la chaleur d'une unité de traitement informatique (CPU) haute puissance ou d'un système sur puce (SOC) sont la pâte thermique ou la graisse. Bien que ces solutions offrent des performances élevées, elles présentent des inconvénients. Ils peuvent être désordonnés, prendre du temps et avoir une faible fiabilité à long terme. De plus, les matériaux d'interface thermique (TIM) conventionnels à haute conductivité (> 20 W/mK) sont connus pour être coûteux et présenter des difficultés et des défis de fabrication.

Quelles sont les principales fonctions des TIM ?

Lorsqu'un dissipateur thermique est placé au-dessus d'un composant générant de la chaleur, il existe naturellement des vides d'air. Ces entrefers créent une résistance thermique élevée, ce qui entraîne une surchauffe. Les TIM résolvent ce problème en remplaçant les entrefers par des matériaux thermiquement conducteurs. Cela crée un chemin thermique plus efficace en réduisant la résistance thermique globale dans le système. Les TIM peuvent également fournir une isolation électrique ou une fixation adhésive sans nécessiter de fixation mécanique supplémentaire en cas de besoin.

Les TIM doivent se conformer aux irrégularités de surface, sinon il y aura une résistance thermique accrue au niveau des couches de contact. Une certaine résistance de contact est inévitable, mais tout matériau thermoconducteur serait plus bénéfique que l'air.

Alors que les ingénieurs de conception veulent avoir l'espace le plus mince possible pour réduire la longueur du chemin thermique, il faut parfois maintenir une certaine épaisseur pour avoir un meilleur mouillage ou contact sur un substrat irrégulier. Selon le type de résine polymère, le type de charge et le niveau de charge de la charge, la capacité de mouillage peut être différente. De plus, les performances des TIM peuvent varier en fonction des propriétés thermomécaniques ainsi que de la pression d'application, de la finition de surface du substrat et de l'environnement.

Facteurs à prendre en compte lors du choix des TIM

Facteur de forme

Il existe de nombreux types de matériaux d'interface thermique tels que la graisse, le gel, les tampons, la pâte, les rubans, les matériaux à changement de phase (PCM) et même le métal. Lors de la sélection des TIM, il est important de bien connaître le produit et ses performances. Pour les remplissages d'espaces minces, la graisse ou le PCM sont couramment utilisés, tandis que pour les remplissages d'espaces épais, les utilisateurs recherchent des tampons, du gel ou de la pâte à mastic.

Les TIM peuvent également être classés en tant qu'application TIM 1, TIM 2 ou TIM 1.5. Cette catégorisation est basée sur l'endroit où ils sont utilisés en référence à la puce de matrice et au dissipateur de chaleur ou au couvercle d'un appareil. Par exemple, une application TIM 1 utilise des TIM entre la puce de puce et le dissipateur de chaleur ou le couvercle, et son objectif principal est de réduire la résistance de contact et de dissiper la chaleur extrême directement des processeurs. Traditionnellement, la soudure métallique est utilisée pour cette application; cependant, aujourd'hui, la graisse, le gel ou les PCM peuvent également être utilisés.

D'autre part, une application TIM 2 est appliquée entre le dissipateur de chaleur et le dissipateur de chaleur ou le SOC au niveau du boîtier. Cette application utilise généralement des TIM plus épais, comme des tampons, car la gestion de la chaleur au niveau du boîtier n'est pas aussi extrême qu'au niveau de la puce. Une application TIM 2 peut nécessiter une capacité de reprise et une compressibilité, ce qui permet un impact plus important en raison des besoins du dissipateur thermique connecté.

Dans une application TIM 1.5, la matrice de la puce est en contact direct avec le composant de refroidissement sans dissipateur de chaleur. Cette catégorie de TIM est couramment utilisée dans les appareils mobiles.

Le gel et la pâte sont parfois préférés aux tampons car leurs lignes de liaison plus fines peuvent leur permettre d'avoir une compressibilité et des performances thermiques supérieures à celles des tampons. Les coussinets Thermexit™ offrent une solution à ces deux problèmes en offrant une excellente conformabilité et des performances thermiques.

Conductivité thermique

Un autre facteur important à considérer est la performance thermique. Dans un appareil électronique, il existe des composants générant de la chaleur et des composants de refroidissement qui déterminent la quantité de chaleur pouvant être dissipée. Cela signifie que la température ambiante et la présence de composants de refroidissement actifs peuvent déterminer le budget thermique. Une fois que vous connaissez votre budget thermique, vous pouvez décider du type de matériaux d'interface thermique dont vous avez besoin, car les TIM peuvent être facilement personnalisés pour répondre à votre conception thermique.

Propriétés physiques et mécaniques

Les propriétés mécaniques des matériaux d'interface thermique telles que la dureté, la déflexion et la déformation rémanente à la compression doivent également être prises en compte. Certains utilisateurs préfèrent des composés ou des gels pour protéger leurs composants sensibles même si ces produits dispensables peuvent présenter des inconvénients qui seront discutés plus loin. Il est important de trouver le bon TIM pour la pression de votre application et la conception de l'épaisseur de l'espace.

Isolation électrique

Un autre facteur important est de savoir si un TIM est électriquement isolant ou non. Certaines applications sont très sensibles en matière de continuité électrique. La plupart des tampons d'écart thermique offrent une excellente isolation électrique en raison de leur application relativement épaisse, contrairement aux produits de graisse, de gel ou de PCM.

Candidature

Lors de la sélection d'un TIM, vous devez tenir compte de la fiabilité à long terme. Aujourd'hui, de nombreux appareils électroniques sont utilisés dans des environnements extrêmement difficiles qui nécessitent des cycles de puissance élevés. De plus, il est important que les TIM de l'industrie automobile soient testés sous vibration mécanique.

Facteurs d'application

Chaque facteur de forme est lié à un facteur d'application, comme la pression appliquée, la méthode de fixation, l'épaisseur de la ligne de liaison, la géométrie et l'environnement. Des facteurs simples tels que la facilité de manipulation et l'environnement peuvent être facilement négligés mais ne peuvent pas être ignorés.

Pensez au-delà de la fiche technique

Bien que les fiches techniques des TIM fournissent des informations utiles, elles ne doivent pas être la seule ressource utilisée lors de la sélection des TIM. Une grande partie des données des fournisseurs TIM proviennent des normes de l'industrie ou de leurs propres méthodes de test pour optimiser les performances du produit. Cependant, le même produit TIM fonctionne différemment selon les conditions. En règle générale, nous nous attendrions à ce qu'une conductivité thermique plus élevée se traduise par de meilleures performances, mais est-ce toujours le cas ? En outre, nous devons nous demander si un TIM à conductivité thermique plus élevée est nécessaire lorsqu'un TIM à conductivité thermique plus faible pourrait avoir des performances adéquates pour l'application. Parfois, si un TIM à conductivité thermique plus élevée est utilisé dans une application qui ne l'exige pas, le TIM n'offrira pas les mêmes avantages.

Type de tampon d'espace 

Enfin, disons que nous décidons d'utiliser un gap pad. Avant de considérer la conductivité thermique ou la compressibilité, nous devons examiner les propriétés et les exigences de base. Par exemple, la température d'application de l'appareil déterminera la chimie de la résine nécessaire. Il est également important de savoir si l'appareil nécessite un TIM en silicone haute température ou s'il peut utiliser un système de résine alternatif. Certains tampons d'espacement ont un support de verre en tissu, ce qui peut ne pas convenir à certaines applications. Parfois, le fait d'avoir la bonne épaisseur peut à lui seul résoudre de nombreux problèmes thermiques rigoureux.

Thermexit ™ Solutions

Thermexit™ développe des coussinets d'espacement à haute conductivité thermique qui surmontent les lignes de liaison plus épaisses et surpassent les matériaux d'interface thermique à liaison mince. Notre résine haute température sans silicone unique peut remplacer la chimie de la résine de silicone et minimiser la contamination par l'huile. Notre système de résine est également un système non polymérisant qui offre d'excellentes performances à long terme.

Les coussinets Thermexit ™ sont hautement compressibles pour minimiser la résistance de contact sans force élevée ni contrainte sur les composants. Ils sont faciles à appliquer et sont naturellement collants sans laisser de résidus ni de gâchis de pâtes ou de gels. Thermexit propose deux gammes de produits :Thermexit EI (isolation électrique) et Thermexit HP (haute performance). Les deux pads offrent une conductivité thermique élevée à>15 W/mK et 40 W/mK, respectivement.

Pour plus d'informations, visitez thermexit.com et contactez-nous à [email protected].