Les concepteurs disposent désormais d'une vaste gamme de matériaux thermiques, témoignant d'une évolution des bonnes pratiques de conception. Cette évolution se traduit par le remplacement de la ventilation des composants électroniques par l'utilisation généralisée de dissipateurs thermiques et par l'établissement de connexions précises entre les composants chauds et les surfaces dissipatives, telles que le châssis métallique ou le couvercle du boîtier. Ce changement illustre une demande croissante de miniaturisation. La densité toujours plus élevée des composants réduit le volume d'air disponible pour le refroidissement et entrave sa circulation. Alors qu'un ventilateur était autrefois utilisé pour refroidir le système par ventilation forcée, une conception sans ventilateur est désormais souvent privilégiée afin de réduire les coûts, la consommation d'énergie, l'encombrement et le bruit. De plus, le ventilateur est souvent le composant le moins fiable du système.
L'air, un ennemi :
L'air statique est considéré comme un obstacle à la gestion thermique. Avec sa faible conductivité thermique de seulement 0,024 W/mK, contre 250 W/mK pour l'aluminium, l'air emprisonné dans des poches microscopiques à l'interface entre un dissipateur thermique et un composant peut fortement nuire au transfert de chaleur. Traditionnellement, on appliquait de la graisse thermique ou un matériau à changement de phase sur les surfaces pour éliminer ces poches d'air.
Pour répondre aux exigences modernes de gestion thermique, une gamme plus étendue de produits et de matériaux aux propriétés variées est désormais disponible, permettant aux ingénieurs d'éliminer efficacement les interstices d'air à l'intérieur du boîtier. Un défi majeur pour les concepteurs actuels consiste à combler les interstices d'air relativement importants, dont la taille peut varier de 1 à 5 mm. De plus, lorsque plusieurs composants sont montés sur un dissipateur thermique commun, la taille des interstices peut être inégale et varier d'un composant à l'autre. Ce problème peut être accentué par l'accumulation des tolérances d'assemblage mécanique. Dans ces cas, le matériau de remplissage choisi doit pouvoir compenser ces variations afin de maintenir un contact ferme avec chaque surface sans exercer de forces excessives sur le boîtier du composant.
Les pads et gels thermiques figurent parmi les solutions thermiques les plus répandues. Les pads, éléments compressibles composés d'un liant en élastomère de silicone et chargés de particules thermoconductrices, épousent les contours de la carte mère. Le gel, matériau en silicone vulcanisé, s'applique à l'aide d'une pompe ou d'un distributeur. Il est idéal lorsque la distance entre la surface du composant et la surface froide adjacente peut varier, par exemple lorsque plusieurs composants sont connectés à un dissipateur thermique commun. Il peut également remplacer la pâte thermique traditionnelle ou le matériau à changement de phase, car il exerce une force faible et constante sur la carte et ses composants.
Cales de remplissage :
Les progrès réalisés dans le domaine des matériaux de collage à base de polymères, capables de fonctionner sur une large plage de températures, ont été essentiels au développement des cales de remplissage. Celles-ci permettent de résoudre de nombreux problèmes de gestion thermique rencontrés par les ingénieurs. Les élastomères de silicone couramment utilisés présentent un faible module de compression, ce qui leur permet d’épouser les contours des surfaces de collage avec une compression minimale. On évite ainsi des contraintes importantes sur les composants et les joints de soudure. Par conséquent, un faible module de compression et une conductivité thermique élevée sont des qualités idéales pour une cale de remplissage. De nouveaux matériaux, tels que le HCS10 de Chomerics, témoignent d’une tendance constante vers des composés toujours plus souples, particulièrement utiles pour la conception de systèmes électroniques compacts et sensibles.
Différents niveaux de performance thermique sont proposés, avec une conductivité thermique allant de moins de 1 W/mK à plus de 6 W/mK. La conductivité étant généralement déterminée par la quantité et le type de charge conductrice, qui peut être constituée de particules de matériau céramique ou d'un composé métallique tel que l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de zinc ou le nitrure de bore, une conductivité plus élevée est généralement obtenue en augmentant le module de compression.
Les concepteurs peuvent également choisir parmi différentes valeurs de module de compression. Parmi les formulations les plus souples figurent le coussinet THERM-A-GAP™ HCS10, un matériau qui se déforme de 73 % à 50 psi, et le THERM-A-GAP 580, qui ne se déforme que de 30 % dans les mêmes conditions. Par conséquent, certains matériaux de remplissage peuvent être utilisés pour amortir les vibrations tout en offrant des propriétés de conformabilité pour la gestion thermique.
Les cales de remplissage sont généralement disponibles en différentes épaisseurs. Toutefois, les concepteurs doivent garder à l'esprit que la conductivité thermique d'une cale est bien inférieure à celle du métal. Une cale ne saurait compenser une mauvaise conception thermique ; les ingénieurs doivent donc veiller à réduire au maximum les interstices afin de pouvoir les combler avec des cales d'épaisseur minimale.
Les pastilles thermoconductrices peuvent être commandées en feuilles entières, découpées sur mesure, ou encore sous forme de pastilles découpées sur une feuille ou de composants individuels. Un support, tel qu'une feuille d'aluminium ou de la fibre de verre, est également appliqué. La surface des pastilles présente généralement une certaine adhérence pour les maintenir en place et minimiser la résistance de contact. Un adhésif sensible à la pression peut être pré-appliqué sur la surface afin d'établir un contact permanent avec le matériau froid. Des formulations à faible dégazage et sans silicone sont disponibles pour les applications sensibles au silicone, telles que les équipements aérospatiaux et d'électronique optique et les disques durs.
Les gels thermiques
, quant à eux, peuvent être fournis en vrac, en cartouches ou en seringues. Dans des conditions normales, ils se conservent sans réfrigération et ne durcissent pas.
Le gel thermique offre plusieurs avantages importants, notamment la suppression du besoin de gérer un stock de pastilles de remplissage de formes et de tailles variées, et la garantie d'une sélection et d'un positionnement précis. Les gels sèchent complètement et conservent leur forme, ce qui facilite leur utilisation en production. Ils peuvent être appliqués en ligne avec une grande répétabilité de forme et de volume grâce à des distributeurs automatisés. Dans certains cas, une application ronde permet de couvrir de manière optimale les surfaces de collage, tandis que les formes serpentines, carrées ou spirales sont fréquemment utilisées pour atteindre les extrémités des boîtiers de circuits intégrés tels que QFN, LGA ou BGA. Une seule ligne de gel est sans aucun doute la plus adaptée pour fixer un dissipateur thermique sur un boîtier DIL traditionnel.
Une large gamme de gels thermiques est disponible, comme le GEL30 de Parker Chomerics, qui convient aussi bien aux applications de remplissage qu'au remplacement direct de la graisse thermique. Par rapport à ces dernières, la structure réticulée des gels garantit un faible module d'élasticité et élimine les inconvénients tels que le vidage et le séchage.
Le GEL30 offre une conductivité thermique de 3,5 W/mK. Comparé à certains matériaux de remplissage, le gel exerce une contrainte mécanique bien moindre sur les composants. Cet aspect est souvent crucial, car les conceptions de produits les plus récentes privilégient les systèmes d'assemblage à enclenchement rapide, dont les forces de serrage sont inférieures à celles des assemblages à vis traditionnels, plus longs à mettre en œuvre et exerçant une force de compression plus importante sur le matériau d'interface.
Des gels assurant l'isolation électrique entre le composant et le dissipateur thermique sont également disponibles. Ces gels intègrent des microsphères de verre de 0,25 mm de diamètre, qui jouent le rôle de diélectrique ou de butée de compression, garantissant un espace minimal entre la surface du composant et le dissipateur. Les ingénieurs peuvent ainsi tirer parti des propriétés du gel lors de l'utilisation de boîtiers de puissance où la connexion thermique assure également la terminaison électrique de la puce.
Résumé :
Dans le cadre d’une stratégie de gestion thermique bien conçue, les pads et gels thermiques permettent de combler la plupart des espaces d’air inévitables lors de la conception d’équipements électroniques. Ces deux types de remplissage intègrent des matériaux de haute technologie et offrent de nombreux avantages en termes de performance et de facilité d’utilisation. Ils constituent des outils précieux pour les ingénieurs souhaitant optimiser les performances thermiques d’une nouvelle conception.
Auteur:
Riaz Ahmed, Division Chomerics Europe -
Parker Hannifin Ltd
