Importance des matériaux d'interface thermique

Dans le domaine de la gestion thermique, les ventilateurs, les dissipateurs thermiques et les dispositifs Peltier font l'objet de beaucoup d'attention, si bien que la manière dont ces composants sont assemblés peut facilement être oubliée. Un matériau d'interface thermique (TIM) est de la plus haute importance pour optimiser les performances de ces autres techniques de gestion thermique. Le rôle des TIM est d'occuper les minuscules vides microscopiques qui sont présents entre deux surfaces non uniformes avec une substance qui possède une meilleure conductivité thermique que l'air. Les TIM peuvent inclure divers matériaux utilisés pour améliorer la conductivité thermique, garantissant un transfert de chaleur efficace d'un élément générateur de chaleur comme un transistor de puissance vers un dissipateur de chaleur tel qu'un dissipateur thermique, un refroidisseur thermoélectrique ou les deux. Cet article vise à définir plus en détail la conductivité thermique et l'impédance thermique tout en fournissant une introduction de haut niveau sur les différents types de TIM disponibles pour un ingénieur de conception.

Figure 1 : Représentation de base d'un TIM remplissant les espaces d'air entre deux surfaces non uniformes. (Source de l'image : Same Sky)

Aperçu de la conductivité thermique

Afin de bien cerner comment le remplissage de ces vides microscopiques peut améliorer le transfert de chaleur, une compréhension claire de la conductivité thermique est essentielle. La conductivité thermique est une mesure de la capacité d'un matériau à transmettre la chaleur et ne dépend pas de la taille d'un composant donné. Ce paramètre est généralement quantifié en unités de puissance divisées par la surface multipliée par la température, comme W/m°C ou W/m*K. Il convient de noter que, puisqu'une unité sur l'échelle Kelvin équivaut à un degré Celsius, lors des calculs, seul le changement relatif de température est pertinent, pas la valeur absolue.

Lorsqu'il s'agit de dissipation de chaleur, une conductivité thermique plus élevée est toujours plus souhaitable. Les matériaux à faible conductivité thermique présentent un faible taux de transfert de chaleur, tandis que les matériaux à haute conductivité thermique permettent un transfert de chaleur plus rapide. À titre d'exemple, la conductivité thermique de l'air n'est que de 0,0263 W/m*K, soit environ deux ordres de grandeur de moins que celle des matériaux d'interface thermique. Lorsqu'il y a des espaces d'air entre le composant et le dissipateur thermique, la dissipation de chaleur est entravée. En remplissant ces vides avec un TIM, qui présente une conductivité thermique nettement supérieure à celle de l'air, un transfert de chaleur plus efficace est obtenu.

Aperçu de la résistance thermique

D'autre part, l'impédance ou la résistance thermique dépend fortement de la forme d'un composant spécifique et est exprimée en unités de température divisées par la puissance, c'est-à-dire en degrés Celsius par watt. La résistance thermique est couverte en détail dans les blogs Overview of Thermal Management et How to Select a Heatsink de Same Sky, mais voici un bref récapitulatif. La résistance thermique, exprimée en unités C/W, détermine le nombre de degrés Celsius de réchauffement d'une jonction par watt de puissance dissipée Par exemple, si une jonction dissipant 4 W de puissance a une résistance de 10 C/W, sa température augmentera de 40 degrés Celsius par rapport à la température ambiante. Souvent, la valeur de résistance thermique est indiquée pour un milieu et une zone spécifiques, comme un boîtier TO-220 à l'air sans dissipateur thermique.

Lorsque plusieurs dispositifs sont intégrés ensemble, une nouvelle valeur de résistance thermique est attribuée. Cependant, cette valeur de résistance thermique suppose qu'il existe une connexion parfaite entre les deux surfaces, ce qui n'est pas toujours le cas. Dans de telles situations, un matériau d'interface thermique est utilisé pour créer des conditions aussi idéales que possible. Bien que cela améliore le transfert de chaleur, cela ajoute également un niveau de complexité puisque la résistance thermique du TIM doit alors être incluse dans les calculs. Il peut sembler ironique que si le matériau d'interface thermique réduit la résistance thermique entre deux objets, il possède également sa propre résistance thermique. Cette valeur n'est pas négligeable, mais elle réduit la résistance thermique entre deux objets bien plus qu'elle ne l'augmente. Selon le type de TIM utilisé, cette résistance thermique peut être fournie ou doit être calculée en fonction de l'épaisseur du TIM et de la surface sur laquelle il est appliqué.

Figure 2 : Exemple de chemins d'impédance thermique typiques pouvant être pris en compte dans une application. (Source de l'image : Same Sky)

Types courants de matériaux d'interface thermique

Les matériaux d'interface thermique, qui peuvent prendre la forme de gels, de graisses, de pâtes et de pastilles, offrent diverses solutions pour relever les défis de la gestion thermique. Les pâtes d'interface thermique, y compris les gels et les graisses, sont connues pour leur conductivité thermique élevée, leur flexibilité et leur capacité à combler des espaces plus grands. Cependant, l'application de pâte peut être compliquée, en particulier sur des surfaces inégales, et peut ne pas toujours produire des résultats réguliers. Une application excessive peut entraîner une réduction de l'efficacité globale, tandis qu'une application insuffisante peut compromettre les performances de l'interface thermique. De plus, les pâtes à base de métal, qui offrent une conductivité thermique supérieure, peuvent créer des risques électriques si elles se répandent sur le circuit imprimé. Les pâtes à base de carbone ou de céramique peuvent être une alternative plus sûre, mais leur efficacité thermique peut ne pas être aussi bonne que les options à base de métal.

En revanche, les pastilles thermiques sont des TIM solides fabriqués à partir d'élastomères de silicone ou sans silicone, avec de nombreux autres matériaux également disponibles. Par exemple, les pastilles thermiques de Same Sky sont naturellement adhésives, électriquement isolées, et ont différents indices de conductivité thermique, s'étendant de 1,0 à 6,0 W/m*K. L'un des principaux avantages de l'utilisation de pastilles d'interface thermique au lieu de pâtes est leur facilité d'application. Les pastilles thermiques de Same Sky sont prédécoupées pour s'adapter aux profils de leurs dispositifs Peltier, ce qui permet de gagner du temps et de faciliter l'assemblage par rapport à l'achat de grandes feuilles de matériau de pastilles et à leur découpe à la taille voulue. Les pastilles thermiques offrent également une plus grande régularité, une utilisation plus propre, et sont plus réutilisables que les pâtes thermiques.

Cependant, dans les situations où les utilisateurs sont confrontés à divers dispositifs et tailles, la pâte thermique reste une option privilégiée en raison de sa polyvalence. La pâte thermique est également appréciée des bricoleurs car elle est peu coûteuse et facilement disponible dans de petits tubes, éliminant ainsi le besoin de mesures et de dimensionnement précis. Cela en fait une option pratique pour les petits projets et les applications ponctuelles. Voici un bref résumé des différentes options TIM :

Tableau 1 : Synthèse des options des matériaux d'interface thermique. (Source de l'image : Same Sky)

Conclusion

Une gestion thermique efficace est un problème complexe qui requiert un ensemble de stratégies et de solutions. Il est crucial de ne pas négliger l'importance des matériaux d'interface thermique en tant que composants clés du système global. Qu'il s'agisse de la phase de prototypage, du passage en production ou simplement de l'utilisation de matériaux d'interface thermique pour des projets de bricolage, comprendre les raisons de leur nécessité et les mécanismes sous-jacents à leurs fonctionnalités peut faire une différence significative dans les performances thermiques d'une conception.