En finir avec la graisse sur les dissipateurs thermiques

Je mets de la pâte thermique sur des dissipateurs thermiques en aluminium depuis environ 50 ans. J'en ai utilisé pour la première fois lorsque j'ai fabriqué un four à micro-ondes Heathkit® pour ma mère en 1970. J'ai dû étaler de la pâte thermique sur un énorme module à diode de 12 000 V et 1 A au niveau de l'alimentation à magnétron du four à micro-ondes avant de le boulonner au châssis métallique lourd du four. Cela remonte à l'époque où l'on pouvait non seulement réparer les fours à micro-ondes, mais aussi les fabriquer à partir d'un kit, ce qui coûtait bien moins cher. Le four à micro-ondes Heathkit coûtait 399,95 USD à l'époque. Déjà assemblés, les fours à micro-ondes coûtaient encore plus cher.

La boîte contenant le kit du four à micro-ondes était si grande et si lourde (44 kg) qu'il semblait que la meilleure chose à faire était de partir en voiture de Louisville (Kentucky) et d'aller jusqu'à Benton Harbor (Michigan) pour récupérer le four à l'usine Heathkit, de le charger dans le coffre de la Pontiac Catalina 1967 de ma mère, puis de rentrer le lendemain. Permis de conduire tout juste en poche, c'était l'occasion de prendre le large.

En route pour l'aventure !

Ces deux premiers paragraphes sont remplis d'anachronismes. L'usine et le showroom Heathkit de Benton Harbor ont fermé il y a longtemps. Depuis le 31 octobre 2010, Pontiac a cessé ses activités et ne fabrique plus de Catalina ni aucune autre voiture. En outre, on ne peut plus fabriquer de fours à micro-ondes en kit. Il n'y aurait d'ailleurs aucun intérêt à le faire maintenant que les usines fabriquent des modèles déjà assemblés et peu coûteux.

Cependant, la pâte thermique est toujours d'actualité, bien qu'elle soit toujours aussi peu pratique qu'il y a cinquante ans. C'est blanc et gluant, et on en met toujours partout. Quoi qu'il en soit, on continue à l'utiliser, car c'est une solution efficace. En fait, l'avènement des microprocesseurs haute puissance dans les ordinateurs a inconsciemment transformé la pâte thermique en une pièce maîtresse du puzzle électronique. Des pâtes thermiques hautes performances aux noms exotiques comme « carat », « diamant » et « argent » sont constamment testées et font l'objet de vifs débats entre les adeptes de jeux sur ordinateur et les partisans du surcadençage de processeur qui essaient de faire fonctionner leur machine à la fréquence d'horloge la plus élevée possible, mais à la température de fonctionnement la plus basse qui soit.

Mais pourquoi en faire toute une histoire ? Pourquoi avons-nous toujours besoin d'un dissipateur thermique ? Commençons avec deux surfaces en métal pressées l'une contre l'autre (Figure 1). L'une des deux pièces en métal représente le composant à semi-conducteur tandis que l'autre est un dissipateur thermique. La chaleur circule bien au niveau de l'interface mécanique entre les deux pièces lorsque les deux surfaces sont plates et en contact, mais les surfaces réelles ne sont jamais véritablement plates. Même si vous rectifiez les deux surfaces, et c'est ce que font souvent les adeptes du surcadençage avisés, il y aura toujours des écarts microscopiques. Sur terre, ces écarts sont pratiquement toujours remplis d'air. Dans ce cas, la chaleur ne circule pas bien étant donné que l'air est un isolant thermique. Dans l'espace, les écarts sont remplis de vide, et le vide est également un excellent isolant. Prenons l'exemple des bouteilles isothermes. Elles utilisent le vide comme isolant thermique.

Figure 1 : La chaleur circule facilement là où les surfaces en métal sont en contact, mais ne circule pas bien là où il y a des écarts. (Source de la figure : Parker Chomerics)

La pâte thermique, créée bien avant mes propres expériences, est conçue pour combler les écarts avec une substance capable de conduire la chaleur bien mieux que l'air. Au fil des années, j'ai appris deux ou trois astuces quant à l'application de pâte thermique.

Premièrement, utilisez des gants en latex ou en nitrile pour éviter de vous en mettre plein les doigts. Rassurez-vous, cela ne peut pas vous tuer instantanément comme le laissent penser certaines discussions en ligne sur le sujet. Il est vrai que certaines pâtes thermiques contenaient autrefois du béryllium, un composé aux propriétés thermiques exceptionnelles qui est maintenant considéré comme dangereux, mais les pâtes thermiques généralement utilisées aujourd'hui ne contiennent pas de béryllium, et c'est le cas depuis déjà de nombreuses années. Cependant, les pâtes thermiques actuelles restent difficiles à enlever si on en a sur les doigts et les vêtements, alors portez des gants et essayez de travailler proprement.

Deuxièmement, appliquez une couche de pâte thermique aussi fine que possible. Elle sert à combler les écarts, pas à lubrifier la surface entre le composant et le dissipateur thermique. En fait, il faut faire en sorte que la face métallique du composant qui génère de la chaleur et le dissipateur thermique en métal soient le plus en contact possible.

Autre conseil important : voyez s'il y a une alternative à la pâte thermique qui conviendrait mieux à votre application. Les tampons thermiques en silicone, comme les tampons isolants CHO-THERM de Parker Chomerics, existent depuis des dizaines d'années, mais récemment, les fournisseurs de produits de gestion thermique ont développé toutes sortes d'alternatives intéressantes en raison de la forte augmentation du nombre de semi-conducteurs haute puissance utilisés de nos jours.

Si la quantité de chaleur dissipée par un composant est inférieure à 25 W, il est possible d'utiliser du ruban thermique comme les rubans THERMATTACH T411 et T418 de Parker Chomerics. Ces rubans sont recouverts d'adhésif de chaque côté. Ainsi, ils fournissent non seulement un chemin thermique entre un composant et son dissipateur thermique, mais réduisent ou éliminent également la nécessité d'utiliser du matériel de fixation. En outre, ils ne sont pas salissants.

L'utilisation des rubans thermiques est facile et simple si le dissipateur thermique et le composant électronique sont plats et présentent déjà un bon contact thermique. Cependant, il y a souvent des écarts importants entre le composant qui génère de la chaleur et le dissipateur thermique. Il existe également de bonnes alternatives à la pâte thermique pour ce genre de situation. Vous pouvez utiliser des tampons thermiques lorsque les écarts sont plus importants. Un tampon thermique fonctionne comme une feuille thermique ou un ruban thermique, tout en étant plus épais et plus maniable, ce qui lui permet de combler des écarts jusqu'à plusieurs millimètres. Les tampons de remplissage thermoconducteurs THERM-A-GAP 974 et 976 de Parker Chomerics constituent de bons exemples de tampons thermiques.

Il existe également des matériaux à changement de phase, comme les feuilles thermiques ulTIMiFlux de Wakefield-Vette pour les semi-conducteurs haute puissance, notamment les processeurs et processeurs graphiques multicœurs avancés des serveurs et des ordinateurs. Parker Chomerics fabrique également un matériau à changement de phase, appelé THERMFLOW, disponible sous forme de feuille à découper selon vos besoins. Tous ces matériaux sont également disponibles sous forme prédécoupée pour divers boîtiers de semi-conducteurs standard. Il vous suffit de placer une feuille de matériau à changement de phase coupée à la bonne taille entre le composant à semi-conducteur et le dissipateur thermique, puis de pincer le tout à l'aide d'éléments de fixation.

Les matériaux à changement de phase sont plus ou moins solides à température ambiante, ce qui simplifie leur application. Cependant, ils se transforment en graisse thermique une fois qu'ils atteignent leur température de fusion, ce qui leur permet de combler de petits écarts. Les matériaux à changement de phase associent les hautes performances thermiques d'une graisse à la simplicité de manipulation des tampons thermiques adhésifs.

Lorsque les écarts sont vraiment importants, il existe des pâtes thermiques « à durcissement sur place », comme le système THERM-A-FORM de Parker Chomerics, qui est un polymère silicone en deux parties, fourni dans une cartouche de diffusion à deux cylindres qui mélange les deux composés lors de l'application. La pâte thermique durcit après avoir été appliquée. Les pâtes thermiques peuvent être particulièrement utiles lorsqu'un dissipateur thermique doit accueillir plusieurs composants générateurs de chaleur qui ont des hauteurs différentes. Même si la hauteur des composants est très homogène et que le dissipateur thermique est usiné avec précision pour les différents composants, il y aura probablement toujours des écarts à combler. La Figure 2 illustre l'utilisation d'une pâte thermique « à durcissement sur place » pour réaliser un couplage thermique entre un dissipateur thermique et plusieurs dispositifs électroniques.

Figure 2 : La pâte thermique comble même des écarts importants, comme ceux qui se forment lorsqu'un dissipateur thermique est fixé à plusieurs dispositifs électroniques ayant des hauteurs différentes. (Source de l'image : Parker Chomerics)

Enfin, il existe les dernières nouveautés en matière de produits d'interface thermique : les feuilles de graphite, comme le modèle EYG-S182303DP de Panasonic Electronic Components. Ces feuilles de polyester graphite extrêmement fines présentent une excellente conductivité thermique, bien supérieure à celle du cuivre, et peuvent être découpées pour s'adapter à n'importe quelle application. Les feuilles de graphite sont très prisées par les adeptes du surcadençage de processeurs d'ordinateurs, car elles offrent une excellente conductivité thermique et sont réutilisables, ce qui est important si vous changez de processeur dès que le dernier modèle sort.

Conclusion

La pâte thermique est toujours d'actualité, même après des dizaines d'années d'existence. Elle fonctionne toujours aussi bien, mais il existe aujourd'hui de nombreuses alternatives de contrôle thermique qui méritent considération. Cela dit, si vous choisissez de continuer à utiliser de la pâte thermique, n'oubliez pas de mettre des gants.

À propos de l'auteur

Image of Steve Leibson Steve Leibson a été ingénieur système pour HP et Cadnetix, rédacteur en chef pour EDN et Microprocessor Report, blogger technique pour Xilinx et Cadence (entre autres), et il est intervenu en tant qu'expert technologique dans deux épisodes de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Il a aidé les ingénieurs de conception à développer des systèmes améliorés, plus rapides et plus fiables pendant 33 ans.
More posts by Steve Leibson