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Les matériaux d’interface thermique (TIM: thermal interface material) sont utilisés dans l’électronique pour assurer une dissipation efficace de la chaleur et d’éviter des surchauffes locales.
Cela garantit un fonctionnement fiable et stable des équipements et des composants électroniques.
Qu'est-ce qu'un matériau d'interface thermique ?
Avec une conductivité thermique de seulement 0,0263 W/MK, l’air est le plus mauvais conducteur thermique existant.
Les inclusions d’air entre les composants doivent donc être évitées afin d’éviter l’accumulation de chaleur.
Les TIM’s aident à combler les failles causées par des irrégularités, des tolérances ou des rugosités et assurent à ce qu’il n’y ait pas d’inclusions d’air.
Les matériaux intermédiaires thermiques sont disponibles en différentes versions, par exemple :
- Pâtes conductrices de chaleur,
- Adhésif conducteur de chaleur,
- Feuilles de graphite et d’aluminium,
- Films en mousse et GEL,
- Feuilles conductrices de chaleur adhésives sur une ou deux faces,
- Matériaux à changement de phase (PCM),
- Élastomères contenant ou non de la silicone,
- Disques en Kapton et en mica,
- Matériaux en oxyde d’aluminium
Dans de nombreux cas, il n’est pas facile de trouver le bon matériau intermédiaire. Pourtant, un système de gestion thermique suffisamment bien conçu est indispensable pour assurer un fonctionnement optimal et une longue durée de vie des composants électroniques.
Comblement de lacunes
Coller
Tampons
Les coussins en pile
Quels sont les MIT les mieux adaptés à telle ou telle application ?
Tous les matériaux ne conviennent pas comme matériaux universels pour toutes les applications électroniques. Afin de trouver le MIT parfait, les développeurs dans le domaine de la recherche sur les matériaux doivent prendre en compte une grande variété de propriétés matérielles telles que la résistance thermique, la conductivité thermique, l’impédance thermique, les tolérances mécaniques de l’appariement des contacts, la plage de température, la compatibilité environnementale et bien d’autres encore.
Le choix du matériau le plus approprié dépend de l’application. Les trois principaux types de MIT sont les films thermoconducteurs, les pâtes thermoconductrices et les adhésifs thermoconducteurs. Ils diffèrent, entre autres, par leur utilisation, l’épaisseur de la couche, l’isolation électrique et la conductivité thermique.
Phases conductrices de chaleur
Les pâtes conductrices de chaleur sont souvent utilisées pour créer des couches de transfert de chaleur, par exemple entre un dissipateur thermique et un composant électronique. Elles sont généralement appliquées en couches de très faible épaisseur, d’un maximum d’env. 50 µm. Il n’est donc pas possible de couvrir des distances plus importantes entre les composants. Dans la pratique, des quantités excessives de pâte sont souvent utilisées. Cependant, une application trop parcimonieuse est souvent plus critique car elle peut ne pas compenser toutes les inclusions d’air.
Matériaux à changement de phase
Les matériaux à changement de phase sont une évolution des pâtes thermiques conventionnelles. En tant que matériau de plaque, ces MCP ont une épaisseur de couche continue, ce qui permet un montage direct et propre sur le dissipateur thermique. En outre, les MCP se caractérisent par leur température de changement de phase. À une température de 45 à 55 °C, la consistance de ces matériaux passe de solide à molle. Ils s’écoulent alors dans tous les espaces entre les composants sur lesquels ils sont appliqués. Si la température redescend en dessous de la température de changement de phase, le fluide concerné revient à son état initial sans que la liaison avec les points de contact ne soit rompue.
Finition de la surface et sélection d'un TIM
Pour pouvoir utiliser des pâtes thermiques ou des adhésifs, les surfaces doivent être presque idéales en termes de tolérance. Si cela ne peut être garanti ou si la manipulation de ces matériaux est trop compliquée, on utilise généralement des films. Cela permet de compenser des espaces d’air allant jusqu’à 5 millimètres. Cependant, la résistance thermique de ces MIT est plus élevée en raison de leur plus grande solidité.
Domaines d'application des matériaux d'interface thermique
La multitude de matériaux d’interface thermique produits dans une grande variété de processus illustre un changement dans les meilleures pratiques de conception. De plus en plus, le refroidissement par air des composants électroniques disparaît au profit d’un nombre croissant de dissipateurs thermiques et d’une connexion des composants chauds à des boîtiers métalliques et à d’autres surfaces de dissipation de la chaleur.
Ce changement profite également à la miniaturisation souvent souhaitée des composants. Une plus grande densité de composants réduit le volume d’air disponible pour le refroidissement et empêche en même temps l’air restant de circuler. Par conséquent, dans les systèmes où les ventilateurs de refroidissement étaient à l’origine utilisés pour le refroidissement par air forcé, une conception sans ventilateur est généralement préférée aujourd’hui.
Les MIT dans la vie de tous les jours
Les MIT sont aujourd’hui utilisés dans une grande variété d’applications, par exemple dans l’électronique automobile, dans le secteur des ordinateurs, des mémoires et des jeux, dans l’optoélectronique et dans l’industrie aérospatiale. En outre, ils permettent une excellente gestion de la chaleur dans les emballages électroniques, les appareils ménagers, la technologie de l’éclairage, la technologie médicale et l’automatisation industrielle.
Des mesures de haute précision sont à la base d'une gestion optimisée de la chaleur
gestion optimisée de la chaleur
En raison des innombrables domaines d’application possibles et de l’immense variété des matériaux, les matériaux d’interface thermique posent de grands défis à la recherche sur les matériaux.
La gestion thermique dans le domaine de l’électronique est extrêmement complexe et nécessite une connaissance précise des propriétés des matériaux d’interface thermique utilisés.
Ces spécificités peuvent être déterminées à l’aide du Testeur de matériaux d’interface thermique qui mesure l’impédance thermique des matériaux d’interface thermique tels que les fluides thermiques, les pâtes thermiques, les conducteurs thermiques élastiques et les matériaux à changement de phase, et détermine leur conductivité thermique probable.
Grâce à ces connaissances, il est possible de perfectionner la coopération entre les composants et les matériaux d’interface et de développer une gestion thermique optimale pour les applications électroniques complexes.
