Optimiser la gestion thermique à l'aide de répartiteurs de chaleur et de matériaux de remplissage

Une bonne gestion thermique est importante pour garantir les performances et la fiabilité des dispositifs électroniques. Le concept est simple : il s'agit de transférer la chaleur indésirable loin de la source et de la répartir sur une plus grande surface pour une dissipation et un refroidissement efficaces. Mais dans de nombreux cas, la mise en œuvre peut s'avérer difficile.

La surface des dispositifs générateurs de chaleur n'est généralement pas assez lisse pour présenter la faible impédance thermique requise pour un bon transfert de chaleur. Certains dispositifs présentent des surfaces non planes, ce qui accroît le défi de gestion thermique. De plus, les composants qui doivent être refroidis peuvent se trouver en profondeur dans le système, ce qui complique encore l'extraction de la chaleur potentiellement dommageable.

Des pâtes et des graisses thermiques peuvent être utilisées pour améliorer la conductivité thermique, mais il n'est pas toujours facile d'obtenir la couverture nécessaire pour garantir un bon transfert thermique et d'éviter une application excessive qui peut entraîner la contamination des pistes des circuits imprimés et provoquer des courts-circuits. En outre, les pâtes et les graisses thermiques ne peuvent pas diffuser la chaleur latéralement à partir de la source.

Les concepteurs peuvent se tourner vers une variété de matériaux d'interface thermique (TIM), notamment des matériaux de remplissage et des répartiteurs de chaleur, pour fournir les faibles impédances thermiques nécessaires à un transfert de chaleur efficace, tout en éliminant les problèmes de contamination. Pour répondre aux besoins spécifiques d'un système, les TIM peuvent être structurés pour transférer la chaleur verticalement ou la diffuser latéralement. Les TIM sont disponibles dans une variété d'épaisseurs pour répondre aux exigences d'applications spécifiques, sont mécaniquement stables à des températures de fonctionnement élevées pour une bonne fiabilité, peuvent fournir une isolation électrique élevée et sont faciles à appliquer.

Cet article donne un aperçu de la gestion thermique et fournit des consignes générales sur la sélection des matériaux d'interface thermique. Il présente ensuite plusieurs options TIM de Würth Elektronik et examine les considérations d'application et de conception pour chacune d'elles.

Présentation des matériaux d'interface thermique

Les TIM sont placés entre une source de chaleur et un assemblage de refroidissement pour améliorer le couplage thermique et le flux de chaleur. Deux facteurs augmentent l'efficacité du couplage thermique. Le premier est la capacité du TIM à se conformer aux irrégularités microscopiques de la surface, en éliminant toutes les poches d'air isolant qui réduisent la conductivité thermique de l'interface (Figure 1). Deuxièmement, les TIM offrent la conductivité thermique requise pour transférer efficacement la chaleur de la source vers l'assemblage de refroidissement. La conductivité thermique, K, est quantifiée en watts par mètre par degré Kelvin (W/mK). Elle est mesurée à l'aide de la norme ASTM D5470, relative à la méthode de test standard pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs.

Figure 1 : Un TIM (en bleu) est utilisé pour combler les irrégularités microscopiques qui existent sur les surfaces des composants et des assemblages de refroidissement afin d'améliorer le couplage thermique. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Outre la conductivité thermique, plusieurs éléments doivent être pris en compte lors du choix d'un TIM :

• La plage de température de fonctionnement est importante car les différents TIM sont spécifiés pour différentes plages de température.
• La distance entre les surfaces de contact et la question de savoir si le TIM doit être comprimé pour garantir un transfert de chaleur optimal.
• Capacité de résistance à la pression de compression du TIM.
• Certains TIM sont disponibles avec des adhésifs appliqués sur leur surface pour permettre une fixation mécanique.
• Propriété d'isolation électrique du TIM, certains matériaux pouvant être utilisés pour fournir une isolation électrique.
• Certains TIM sont disponibles en tant que produits standard sans quantité de commande minimum et sans frais de traitement, tandis que d'autres sont disponibles dans des formes personnalisées qui peuvent être optimisées pour des exigences d'application spécifiques.

Choix des matériaux de remplissage

Le matériau de remplissage en silicone WE-TGF est un matériau à usage général conçu pour être utilisé dans les applications basse pression bénéficiant d'une isolation électrique, où le TIM est comprimé entre 10 % et 30 % de son épaisseur. Le dépassement du niveau de compression recommandé peut entraîner l'expulsion de l'huile de silicone, et réduire la durée de vie attendue du matériau et éventuellement contaminer le circuit imprimé. Ces TIM sont conçus pour être utilisés entre deux surfaces mécaniquement sûres, car ils n'ont pas d'autre adhésif que leur adhésivité naturelle. Des épaisseurs de 0,5 millimètre (mm) à 18 mm sont disponibles avec des conductivités thermiques comprises entre 1 W/mK et 3 W/mK. Les épaisseurs de 0,5 mm à 3 mm prennent en charge des niveaux de conductivité thermique plus élevés (Figure 2).

Figure 2 : Les matériaux de remplissage thermique de Würth sont disponibles pour répondre aux exigences d'une grande variété d'applications. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Par exemple, le numéro de référence 40001020 est un tampon de 400 mm x 200 mm, d'une épaisseur de 2 mm, avec une valeur K de 1 W/mK et une caractéristique de rigidité diélectrique ou de claquage électrique (E_BR) de 8 kV/mm. Grâce à leurs caractéristiques de souplesse et d'isolation électrique, les matériaux de remplissage WE-TGF peuvent être utilisés entre un ou plusieurs composants électroniques et un assemblage de refroidissement (Figure 3).

Figure 3 : Un tampon de remplissage en élastomère de silicone est conçu pour combler un espace entre un ou plusieurs composants électroniques et un assemblage de refroidissement, tel qu'un dissipateur thermique, une plaque de refroidissement ou un logement métallique. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Pour les applications de gestion thermique qui nécessitent une isolation électrique et un profil plus fin, les concepteurs peuvent utiliser le tampon isolant en silicone thermoconducteur WE-TINS avec une valeur K de 1,6 W/mK à 3,5 W/mK et une épaisseur de 0,23 mm. Le numéro de référence 404035025 a une valeur K de 3,5 W/mK et un E_BR de 6 kV/mm. Comme tous les composants de la série WE-TINS, le 404035025 combine un caoutchouc de silicone thermoconducteur et un maillage en fibres de verre. Le maillage ajoute une résistance mécanique et il est résistant à la perforation et au cisaillement. Grâce aux propriétés mécaniques de la structure, ces TIM peuvent être comprimés selon les besoins et ils présentent une résistance élevée à la traction.

Les matériaux à changement de phase thermique et les rubans de transfert thermique sont encore plus fins, avec des profils de seulement 0,02 mm. Par exemple, le TIM à changement de phase série WE-PCM passe de l'état solide à l'état liquide à une température spécifique, fournissant une humidification complète de l'interface sans aucun déversement ni débordement. Ces TIM sont conçus pour être utilisés avec des circuits intégrés hautes performances ou des composants d'alimentation et des assemblages de refroidissement. Par exemple, le numéro de référence 402150101020 mesure 100 mm2 avec un adhésif sur les deux faces, et présente une valeur K de 5 W/mK, un E_BR de 3 kV/mm et une température de changement de phase de 55 degrés Celsius (°C).

Le ruban de transfert thermique WE-TTT est un ruban double face qui permet une fixation mécanique des deux surfaces de contact. Il a une valeur K de 1 W/mK et un E_BR de 4 kV/mm, et il est destiné aux applications basse pression. Il est disponible en largeurs de 8 mm (numéro de référence 403012008) et de 50 mm (numéro de référence 403012050) sur des rouleaux de 25 mètres (m).

Solutions de diffusion de la chaleur en graphite

Les TIM à base de graphite synthétique offrent les niveaux les plus élevés de conductivité thermique (Figure 4). Le numéro de référence 4051210297017 dans la série WE-TGS est un répartiteur de chaleur en graphite synthétique mesurant 297 mm x 210 mm avec une valeur K de 1800 W/mK, qui ne fournit aucune isolation électrique. Associant une haute conductivité thermique, un faible poids et une faible épaisseur (0,03 mm), ces feuilles de graphite sont utiles dans un large éventail d'applications s'étendant des modules semi-conducteurs haute puissance aux appareils portables.

Figure 4 : Les répartiteurs de chaleur en graphite offrent des conductivités thermiques élevées dans de multiples dimensions et ne mesurent que 0,03 mm d'épaisseur. (Source de l'image : Würth Elektronik)

La série WE-TGFG combine des feuilles de graphite avec des tampons en mousse pour produire des solutions de gestion thermique uniques avec une valeur K de 400 W/mK et un E_BR de 1 kV/mm. De longs joints peuvent être fabriqués pour servir de répartiteurs de chaleur, transférant la chaleur latéralement de la source vers un assemblage de refroidissement situé dans une autre partie du système (Figure 5). Par exemple, le numéro de référence 407150045015 mesure 45 mm de long, 15 mm de large et 1,5 mm d'épaisseur, et peut être utilisé dans des applications qui bénéficient d'un remplissage des espaces et d'un transfert de chaleur latéral.

Figure 5 : Un TIM placé sur un composant chaud peut agir comme un répartiteur de chaleur, transférant la chaleur latéralement loin du composant. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Pour atteindre des conductivités thermiques plus élevées avec des tampons en silicone comme les matériaux de remplissage WE-TGF, le tampon doit être aminci. Les concepteurs peuvent se tourner vers les TIM WE-TGFG pour combler des espaces jusqu'à 25 mm avec une conductivité thermique bien plus élevée que celle des tampons en silicone, et les produits WE-TGFG peuvent être fabriqués dans des géométries personnalisées pour s'adapter à des espaces non planaires (Figure 6).

Figure 6 : Un joint en mousse de graphite (au centre) peut être fabriqué avec différentes géométries et être utilisé comme interface entre une source de chaleur (en bas) et un élément de dissipation de chaleur non plan (en haut). (Source de l'image : Würth Elektronik)

Combiner des TIM pour améliorer les performances

Les TIM peuvent être combinés pour fournir des niveaux de performances plus élevés. Par exemple, un répartiteur de chaleur en graphite WE-TGS peut être associé à un matériau de remplissage en silicone WE-TGF pour permettre l'utilisation d'un dissipateur thermique dont l'empreinte est plus grande que la source de chaleur, ce qui augmente la capacité de refroidissement de l'assemblage global (Figure 7).

Figure 7 : La combinaison d'un répartiteur de chaleur en graphite WE-TGS (TIM 1) avec un matériau de remplissage en silicone WE-TGF (TIM 2) peut permettre l'utilisation d'un dissipateur thermique plus grand que l'empreinte du composant chaud, offrant ainsi un meilleur refroidissement. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Consignes d'application générales

Quel que soit le TIM utilisé, les concepteurs doivent tenir compte de quelques consignes générales d'application :

• Les surfaces du composant et de l'assemblage de refroidissement doivent être propres et sèches. Il convient d'utiliser un tampon ou un chiffon non pelucheux et de l'alcool isopropylique pour éliminer toute contamination de surface.
• Lorsque vous utilisez des TIM qui nécessitent une compression, le matériau doit être comprimé avec une pression uniforme sur toute la surface. Le matériau peut être endommagé si la pression appliquée dépasse la valeur spécifiée.
• Toutes les bulles d'air et/ou tous les vides en surface doivent être éliminés pour atteindre la meilleure conductivité thermique.
• La température de fonctionnement du TIM doit pouvoir s'adapter à la combinaison de la température ambiante et de l'élévation de température du composant à refroidir.

Conclusion

La gestion thermique est un problème qui se pose dans un grand nombre de systèmes électroniques. Comme illustré, les concepteurs peuvent se tourner vers un vaste choix de TIM fabriqués avec divers matériaux, notamment des silicones, des matériaux à changement de phase, du graphite et des tampons en mousse. L'utilisation de TIM permet de fournir les faibles impédances thermiques constantes nécessaires à un transfert de chaleur efficace, tout en éliminant les problèmes de contamination qui peuvent survenir lors de l'utilisation de pâtes ou de graisses thermiques.

Alors que les pâtes et les graisses ne transfèrent la chaleur que verticalement, les concepteurs peuvent choisir des TIM de remplissage qui conduisent la chaleur verticalement ou des répartiteurs de chaleur qui peuvent conduire la chaleur latéralement. Enfin, de nombreux TIM sont disponibles sans contraintes de quantité de commande minimum et sans frais de traitement, et constituent donc une solution économique pour les conceptions de gestion thermique.

Lectures recommandées

1. Introduction à la gestion thermique
2. Principes de base de la sélection et de l'utilisation des dissipateurs thermiques