Critères clés pour sélectionner des matériaux d'interface thermique haute performance

De l'électronique grand public à l'aérospatiale, tous les appareils électroniques nécessitent une gestion thermique active pour dissiper efficacement la chaleur loin 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 par radiateurs ou ventilateurs en raison d'un espace limité. Dans ces applications, la performance des matériaux d'interface thermique (TIM) est encore plus critique.

Les méthodes les plus courantes pour extraire la chaleur d'un processeur (CPU) haute puissance ou d'un système sur puce (SoC) sont la pâte thermique ou la graisse thermique. Bien que ces solutions offrent une haute performance, elles présentent des inconvénients. Elles peuvent être salissantes, chronophages et avoir une fiabilité à long terme médiocre. De plus, les matériaux d'interface thermique conventionnels à haute conductivité (>20 W/mK) sont connus pour être coûteux et présenter des difficultés de fabrication.

Quelles sont les fonctions principales des TIM ?

Lorsqu'un radiateur est placé sur un composant générateur de chaleur, des espaces d'air se forment naturellement. Ces espaces créent une résistance thermique élevée, ce qui mène à la surchauffe. Les TIM résolvent ce problème en remplaçant les espaces d'air par des matériaux thermiquement conducteurs. Cela crée un chemin thermique plus efficace en réduisant la résistance thermique globale du système. Les TIM peuvent aussi fournir une isolation électrique ou une fixation adhésive sans besoin de fixation mécanique supplémentaire lorsque nécessaire.

Les TIM doivent épouser les irrégularités de surface, sinon il y aura une résistance thermique accrue aux couches de contact. Une certaine résistance de contact est inévitable, mais tout matériau thermiquement conducteur serait plus bénéfique que l'air.

Si les ingénieurs en conception veulent avoir l'espace le plus fin possible pour réduire la longueur du chemin thermique, parfois une certaine épaisseur doit être maintenue pour avoir une meilleure mouillabilité ou un meilleur contact sur un substrat irrégulier. Selon le type de résine polymère, le type de charge et le niveau de chargement, la capacité de mouillage peut varier. De plus, la performance des TIM peut varier selon les propriétés thermomécaniques, la pression d'application, la finition de surface du substrat et l'environnement.

Facteurs à considérer lors du choix des TIM

Facteur de forme

Il existe de nombreux types de matériaux d'interface thermique : graisse, gel, pads, pâte, rubans, matériaux à changement de phase (PCM), et même le métal. Lors de la sélection des TIM, il est important de connaître le produit et sa performance. Pour les remplisseurs d'espace mince, la graisse ou les PCM sont couramment utilisés, tandis que pour les remplisseurs d'espace épais, on recherche des pads, du gel ou de la pâte à modeler.

Les TIM peuvent aussi être catégorisés comme application TIM 1, TIM 2 ou TIM 1.5. Cette catégorisation est basée sur l'endroit où ils sont utilisés par rapport à la puce du die et au diffuseur de chaleur ou au couvercle du dispositif. Par exemple, une application TIM 1 utilise des TIM entre la puce du die et le diffuseur de chaleur ou le couvercle, et son but principal est de réduire la résistance de contact et de dissiper la chaleur extrême directement depuis les processeurs. Traditionnellement, la soudure métallique est utilisée pour cette application ; cependant aujourd'hui, la graisse, le gel ou les PCM peuvent aussi être utilisés.

D'un autre côté, une application TIM 2 est appliquée entre le radiateur et le diffuseur de chaleur ou le SoC au niveau du boîtier. Cette application utilise généralement des TIM plus épais, comme des pads, car la gestion thermique au niveau du boîtier n'est pas aussi extrême qu'au niveau de la puce. Une application TIM 2 peut nécessiter une capacité de retouche et de compressibilité, ce qui permet plus d'impact en raison des besoins du radiateur attaché.

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

Le gel et la pâte sont parfois préférés aux pads car leurs lignes de liaison plus fines peuvent leur permettre d'avoir une compressibilité et une performance thermique plus élevées en comparaison aux pads. Les pads Thermexit™ offrent une solution aux deux problèmes en fournissant une grande conformabilité et une performance thermique.

Conductivité thermique

Un autre facteur important à considérer est la performance thermique. Dans un appareil électronique, il y a des composants générant de la chaleur et des composants de refroidissement qui déterminent la quantité de chaleur qui peut 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 quel type de matériaux d'interface thermique est nécessaire, 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 l'ensemble de compression doivent également être considérées. Certains utilisateurs préfèrent les composés ou gels pour protéger leurs composants sensibles, bien que ces produits dispensables puissent avoir des inconvénients qui seront discutés plus tard. Il est important de trouver le bon TIM pour votre pression d'application et votre conception d'épaisseur d'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 pads thermiques offrent une excellente isolation électrique en raison de leur application relativement épaisse, contrairement aux produits graisse, gel ou PCM.

Application

Lors de la sélection d'un TIM, vous devriez considérer la fiabilité à long terme. Aujourd'hui, de nombreux appareils électroniques sont utilisés dans des environnements extrêmement difficiles nécessitant des cycles de puissance élevés. De plus, il est important que les TIM dans 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 comme la facilité de manipulation et l'environnement peuvent être facilement négligés mais ne peuvent être ignorés.

Regarder au-delà de la fiche technique

Bien que les fiches techniques des TIM fournissent des informations utiles, elles ne devraient pas être la seule ressource utilisée lors de la sélection. Une grande partie des données des fournisseurs de TIM provient de normes industrielles ou de leurs propres méthodes de test pour optimiser la performance du produit. Cependant, le même produit TIM se comporte différemment selon les conditions. En général, on s'attendrait à ce qu'une conductivité thermique plus élevée entraîne une meilleure performance, mais est-ce toujours le cas ? Il faut aussi se demander si un TIM à conductivité thermique plus élevée est nécessaire quand un TIM à conductivité plus faible pourrait avoir une performance adéquate pour l'application. Parfois, si un TIM à conductivité plus élevée est utilisé dans une application qui ne l'exige pas, le TIM ne fournira pas les mêmes avantages.

Type de pad d'espace

Enfin, disons qu'on décide d'utiliser un pad d'espace. Avant de considérer la conductivité thermique ou la compressibilité, il faut examiner les propriétés et exigences de base. Par exemple, la température d'application du dispositif déterminera la chimie de résine nécessaire. Il est aussi important de savoir si le dispositif nécessite un TIM silicone haute température ou s'il peut utiliser un système de résine alternatif. Certains pads d'espace ont un support en tissu de verre, ce qui peut ne pas convenir à certaines applications. Parfois, avoir la bonne épaisseur seule peut résoudre de nombreux problèmes thermiques stricts.

Solutions Thermexit™

Thermexit™ développe des pads d'espace à haute conductivité thermique qui surmontent les lignes de liaison épaisses et surpassent les matériaux d'interface thermique à lignes de liaison fines. Notre système de résine haute température non-silicone unique peut remplacer la chimie de résine silicone et minimiser la contamination par l'huile. Notre système de résine est aussi un système non-réticulant qui offre une excellente performance à long terme.

Les pads Thermexit™ sont hautement compressibles pour minimiser la résistance de contact sans force élevée ni contrainte sur les composants. Ils ont une application facile par préhension et placement et sont naturellement collants sans le résidu ou le désordre des pâtes ou gels. Thermexit propose deux gammes de produits : Thermexit EI (électriquement isolant) et Thermexit HP (haute performance). Les deux pads offrent une haute conductivité thermique à >15 W/mK et 40 W/mK, respectivement.

Pour plus d'informations, visitez thermexit.com et contactez-nous à support@thermexit.com.