Explication des TIM : graisses, cales thermiques et matériaux à changement de phase

Pourquoi deux surfaces qui semblent parfaitement planes peuvent-elles tout de même créer un sérieux goulot d’étranglement thermique ? En ce qui concerne le refroidissement électronique, la réponse réside souvent dans les minuscules espaces entre ces surfaces — et dans le matériau utilisé pour remplir ces espaces.</p>

Qu’est-ce qu’un matériau d’interface thermique ?

Un matériau d’interface thermique (MIT) est utilisé dans l’emballage des circuits intégrés et la gestion thermique des équipements électroniques afin de remplir les micro-vides et les vallées de surface là où deux matériaux entrent en contact. En comblant ces espaces, un MIT réduit la résistance thermique de contact et aide l’appareil à dissiper la chaleur plus efficacement.</p>

Pourquoi les TIM sont importants : Le problème des 10 % de contacts

Les matériaux microélectroniques et les surfaces des dissipateurs thermiques ne sont jamais parfaitement planes au niveau microscopique. Lorsqu’ils sont montés directement, la surface de contact réelle peut représenter seulement environ 10 % de la surface de base du dissipateur thermique. Le reste est occupé par des interstices d’air.</p>

C’est un problème majeur, car la conductivité thermique de l’air n’est que d’environ 0,024 W/(m·K). Ces interstices d’air créent une forte résistance thermique de contact et empêchent le dissipateur thermique d’accomplir sa fonction.

Un matériau interfacial thermique (MIT) à haute conductivité remplit les interstices, déplace l’air et crée un chemin thermique efficace entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. Autrement dit, le dissipateur thermique peut être excellent, mais c’est tout de même l’interface qui déterminera s’il fonctionne ou non.</p>

Qu’est-ce qui fait un TIM idéal ?

Un TIM idéal devrait offrir :

• Haute conductivité thermique
• Conformabilité élevée/flexibilité afin qu’il comble les espaces vides sous une faible pression de montage et maintienne une résistance de contact faible
• Isolation électrique
• Installation et désinstallation faciles
• Large applicabilité, couvrant à la fois les petites et les grandes lacunes

Cette liste de contrôle constitue un cadre d’évaluation utile lors de la comparaison de matériaux réels.

Trois TIM courants et quand les utiliser

• 1. Pâte thermique

La pâte thermique est généralement constituée d’huile de silicone comme matériau de base, associée à des charges résistantes à la chaleur et conductrices thermiquement.</p>

Avantages : Faible coût et extrêmement répandu.

Inconvénients : application désordonnée, l’huile de silicone peut migrer et elle peut sécher avec le temps. Elle n’est généralement pas recommandée pour les produits à longue durée de vie.

• 2. Plaquettes en silicone thermique

Les cales thermiques en silicone utilisent le silicone comme base, avec des additifs tels que des oxydes métalliques, et sont fabriquées par des procédés spéciaux. Elles sont également appelées cales de remplissage, films en silicone ou cales thermiques souples.

Ils comblent les espaces et transfèrent la chaleur entre les composants générant de la chaleur et ceux dissipant la chaleur, tout en assurant également l’isolation, l’amortissement des vibrations et l’étanchéité.</p>

Ils prennent en charge les conceptions miniaturisées et ultrafines et sont disponibles dans une large gamme d’épaisseurs.

Avantages : Bonne plage et stabilité thermiques, comblement des écarts de processus, isolation électrique, absorption des vibrations et du bruit, et installation, essai et réutilisation faciles.

• 3. Matériaux à changement de phase

Les matériaux à changement de phase (MCP) changent de phase avec la température et fournissent une chaleur latente. Le changement de phase solide-solide peut absorber une certaine quantité de chaleur et atténuer les chocs à fort flux thermique, comme l’ajout d’un « réservoir » dans le chemin thermique.</p>

Les températures commerciales de changement de phase se situent aux alentours de 45–50 °C. Elles sont principalement utilisées pour les unités centrales de traitement (UCP) et d’autres sources de chaleur présentant un flux thermique élevé transitoire, notamment afin d’assurer une protection pendant le démarrage ou le redémarrage. Portez une attention particulière à leur capacité thermique et à leur résistance thermique ; certains produits peuvent être aussi minces que 0,125 mm.

Mises en garde : leur stockage et leur installation peuvent être difficiles, la migration d’huile de silicone peut affecter le rendement lumineux des équipements d’éclairage, et leur fiabilité est seulement modérée. Lors d’une utilisation prolongée à haute température, leurs performances peuvent chuter d’environ 40 % à 70 % sur une période d’environ deux ans. Ils conviennent mieux aux appareils électroniques grand public, aux ordinateurs portables et aux consoles de jeux.

Résultat

Les matériaux d’interface thermique affectent directement la qualité de l’interface thermique. La graisse thermique est peu coûteuse et courante, mais elle présente une faible fiabilité à long terme ; les joints en mousse assurent une isolation, un amortissement et une possibilité de réparation ; les matériaux à changement de phase contribuent à atténuer les chocs thermiques transitoires, mais ils présentent des limites en matière de stockage, de suintement et de fiabilité à long terme. Choisissez le matériau d’interface thermique en fonction de la taille de l’espace à combler, de la pression de montage, des besoins en isolation, des exigences de réparabilité et de la durée de vie opérationnelle — et non uniquement en fonction de sa conductivité thermique.