Dans ce contexte, ou face aux problèmes de contrainte et de vieillissement pouvant affecter un composant ou une carte soumis à de hautes températures, l'expertise de spécialistes permet de trouver des solutions adaptées à chaque cas. Forte d'une expérience remontant à 1992, l'équipe d'ingénieurs de la division Thermique et Adhésifs de Steliau Technology met en œuvre les technologies les plus récentes pour vérifier la pertinence des solutions, ainsi que les équipements nécessaires à la conception et à la fabrication de solutions entièrement personnalisées.
Pourquoi un matériau d'interface thermique (TIM) ?
Les matériaux ne sont pas parfaitement lisses (Figure 1) lorsqu'on observe au microscope la section transversale de la jonction entre le composant et le radiateur. Même en pressant un matériau contre l'autre, on constate que des irrégularités forment de petites bulles d'air entre les deux surfaces, et que le contact n'est pas aussi direct qu'il n'y paraît à l'œil nu.
La conductivité thermique de l'air étant très faible comparée à celle d'autres matériaux, il est nécessaire de l'éliminer et d'homogénéiser la surface afin d'obtenir une surface de contact lisse, sans points de contact. C'est là que l'on obtient ce résultat en utilisant un TIM, un matériau thermique dont les propriétés physiques lui permettent d'épouser les irrégularités nanométriques des surfaces.
Quelles informations sont nécessaires pour choisir un matériau d'isolation thermique (TIM) ?
Se pose alors la question du type de matériau à utiliser. La réponse n'est pas simple. Le catalogue de Steliu Technology propose 2 000 références, et le choix dépend non seulement de la conductivité thermique du matériau pour la dissipation de chaleur, ou de sa résistance thermique pour l'isolation (Figure 2), mais aussi de facteurs tels que :
la pression de contact,
la rugosité de surface,
la planéité de la surface (différence de hauteur entre les composants sur le circuit imprimé),
le temps,
la température,
l'épaisseur du matériau (t/k)
et les propriétés des charges.
Par conséquent, avant de choisir le matériau, il est essentiel de répondre à certaines questions :
- Quels sont les composants entre lesquels le TIM est appliqué ? « Composant à refroidir et dissipateur thermique sélectionné. »
- Les composants sont-ils en contact ou existe-t-il un espace à combler ?
- Quelle est l'épaisseur de cet espace ? « Épaisseur nominale + tolérances minimale et maximale. »
- Comment le composant est-il monté sur le dissipateur thermique ? Vis, clips, etc.
- Existe-t-il des gabarits imprimés en 3D et/ou des dimensions disponibles pour le TIM ? Cela nous permet de créer un élément sur mesure pour le composant, en fonction des matériaux utilisés, ce qui permet de réaliser des économies de matériaux et de coûts, tout en garantissant la qualité du produit final.
- Quelle est la chaleur/puissance totale (en W) du composant à dissiper ?
- Une valeur spécifique de coefficient de température (rth) ou de conductivité thermique est-elle attendue pour le TIM ?
- Une isolation électrique est-elle requise ?
- Données du projet (EAU/SOP), échantillon/prototype et L/T.
Grâce à ces informations, nous pouvons déterminer la gamme de TIM la plus adaptée :
les pads d'interface minces sont un produit standard à haute conductivité thermique (0,8 à 3,0 W/mK), renforcés par un film et de la fibre de verre, et peuvent contenir ou non du silicone. Ils existent en versions conductrices ou isolantes. Ils sont couramment utilisés dans les applications exigeant une rigidité diélectrique élevée, mais il convient de noter qu'une pression ferme est nécessaire pour maintenir leur efficacité.
Un avantage majeur est que les pads peuvent être conçus selon la forme et la taille requises par l'application. Steliau Technology dispose d'une équipe de conception et d'un parc de machines adaptés aux besoins spécifiques de chaque équipe.
Les pads à changement de phase, dont la viscosité varie en fonction de la température, sont disponibles sous différentes formes selon la gamme de produits. Ces pads changent de viscosité entre 50 et 60 °C, ou se présentent sous forme de graisses haute performance. Cette gamme offre une conductivité thermique de 1,0 à 4,0 W/mK, ce qui la rend idéale pour les applications de calcul haute performance. Cependant, le processus d'assemblage doit être soigneusement étudié, notamment le positionnement des écrans, des gabarits et des pads, ainsi que les exigences en matière d'isolation électrique.
Le mastic thermoconducteur est un autre produit standard offrant une conductivité thermique de 1,0 à 8,0 W/mK. Il est disponible en version bicomposante auto-durcissante ou monocomposante pré-durcissante. Les deux versions sont disponibles avec ou sans silicone.
Son utilisation est recommandée pour la production en grande série ; pour une efficacité optimale, un distributeur de matériau est nécessaire.
L'avantage principal de cette solution réside dans le fait que la pression exercée sur le TIM (isolant thermique) n'a pratiquement aucun effet sur sa déformation, contrairement aux pastilles conventionnelles (Figure 3).
Ces matériaux évoluent grâce à la recherche sur de nouveaux matériaux offrant une meilleure dissipation thermique et une plus grande souplesse, et par conséquent, une meilleure retravail.
Les pastilles d'espacement (Figure 4) permettent non seulement la dissipation thermique, mais aussi le nivellement des zones dans les configurations de composants mixtes sur un circuit imprimé. Des matériaux standard sont disponibles avec des efficacités thermiques comprises entre 0,8 et 20,0 W/mK et des épaisseurs allant jusqu'à 6,5 mm, à base de silicone ou sans silicone. Leur conception est adaptée à l'application, tant en termes de forme que de conductivité thermique.
L'une des avancées promues dans l'industrie des matériaux est la combinaison des performances thermiques et de l'absorption des interférences électromagnétiques, ce qui rend ces solutions très intéressantes pour toutes sortes d'applications.
Applications et assistance :
Grâce à la diversité des performances thermiques et des matériaux utilisés, ces composants trouvent des applications dans de nombreux secteurs, allant des alimentations (convertisseurs CC/CC, chargeurs de batterie, onduleurs, éléments à induction, pompes, équipements pour véhicules électriques) à la dissipation thermique des LED de puissance, des éléments à induction, des appareils électroménagers, etc. Ils sont utilisés dans des marchés verticaux tels que l’industrie, le médical, la défense, l’aérospatiale, les télécommunications, l’éclairage et les transports.
Chaque marché et application présente des caractéristiques uniques. Forte de 20 ans d'expérience, l'équipe de Steliau Technology a acquis une expertise et un savoir-faire qui lui permettent de réduire les coûts de développement de produits, de proposer des analyses CFD et des services de conseil pour des solutions thermiques optimales, et d'assurer le support des nouveaux produits nécessitant des solutions thermiques ou des produits existants présentant des dysfonctionnements.
Grâce au logiciel de simulation (Figure 6), ils réalisent des modélisations thermiques et utilisent la dynamique des fluides numérique (CFD) avancée, créant ainsi des modèles précis d'équipements électroniques permettant des conceptions spécifiques pour l'industrie électronique. Ce logiciel s'adapte pour relever les défis de la conception thermique, aidant l'équipe, dirigée par trois ingénieurs spécialisés de la division Thermique et Adhésifs de Steliau Technology-EUROPE, à fournir des solutions optimales.
Par Lionel Girardot, responsable de l'unité commerciale Thermique et Adhésifs chez Steliau Technology-EUROPE
