Un pad thermique améliore les performances des circuits imprimés en remplaçant l'espace d'air isolant entre un composant chaud et son dissipateur thermique par un chemin solide et conformable qui conduit la chaleur. Chez Trumonytechs, nous fabriquons coussinets thermiques et plaques de refroidissement liquide dans le cadre d'un projet plus vaste matériaux d'interface thermique Dans le cas des assemblages de batteries et d'électronique de puissance, la question pratique pour un ingénieur thermique est rarement de savoir s'il faut gérer la chaleur. Il s'agit plutôt de déterminer quel matériau d'interface correspond à l'espacement, à la contrainte de serrage et à l'isolation réellement nécessaires à la carte.
Les sections suivantes expliquent le fonctionnement des pads thermiques sur un circuit imprimé, comment les choisir en fonction de leur conductivité thermique, de leur épaisseur et de leur isolation électrique, dans quels cas un pad est préférable à la pâte thermique, et comment l'installer sans perte de performance. Elles ne traitent pas de la conception des canaux de la plaque froide, du câblage en cuivre et des vias thermiques, des compromis liés au format des cellules ou à la perte de charge, ni des valeurs caractéristiques des modèles Trumonytechs. Ces dernières dépendent de la carte et du boîtier, et sont définies au cas par cas.
Introduction aux matériaux d'interface thermique
Un matériau d'interface thermique transporte la chaleur à travers une jonction qui, autrement, emprisonnerait de l'air. Un pad thermique est l'élément solide et préformé de cette famille. Deux surfaces en contact, d'apparence plane, ne se touchent qu'en quelques points saillants, le reste de la jonction étant rempli d'air. L'air est un mauvais conducteur thermique (environ 0,026 W/m·K), tandis que les métaux qu'il sépare sont des centaines de fois plus conducteurs. Cette fine couche d'air emprisonné finit par représenter la majeure partie de la résistance thermique de l'ensemble.
L'isolation électrique d'une pastille dépend du produit, et non de sa catégorie. De nombreuses pastilles utilisent un liant silicone ou non silicone chargé de particules telles que de la céramique ou de l'oxyde métallique pour améliorer le transfert de chaleur tout en restant diélectriques. D'autres utilisent des particules conductrices comme le graphite et ne sont pas isolantes. Ne vous fiez pas à l'appellation “ pastille thermique ” ni au nom de la part du liant. Si une pastille peut entrer en contact avec des broches ou des pistes exposées, vérifiez si elle est isolante. conducteur électrique et vérifiez sa rigidité diélectrique nominale.
Pourquoi la gestion thermique des circuits imprimés affecte la fiabilité
La chaleur non maîtrisée peut entraîner une surchauffe des composants et provoquer des différences de dilatation entre les matériaux de la carte. Les semi-conducteurs, les condensateurs et les circuits intégrés ont chacun une plage de températures de fonctionnement. Un fonctionnement au-delà de cette plage peut modifier leur comportement électrique avant même d'entraîner une panne. Ainsi, un composant dont la température de fonctionnement dérive légèrement hors spécifications peut déjà perturber la synchronisation ou la mémoire.
Les cycles thermiques ajoutent une étape supplémentaire, plus lente. Lorsque le cuivre, le stratifié, la soudure et les composants chauffent et refroidissent à des vitesses différentes, ce décalage se traduit par des contraintes mécaniques au niveau des joints. Après un nombre suffisant de cycles, ces contraintes peuvent fissurer la soudure ou décoller les pastilles. La durée de vie de l'assemblage dépend des caractéristiques du dispositif, du gradient de température et de la plage de cycles, ce qui constitue la raison principale. La gestion thermique est importante sur un circuit imprimé dense.
Emplacement des pads thermiques dans le circuit de refroidissement du circuit imprimé
Un pad thermique a une fonction bien précise : le contact entre un composant générant de la chaleur et son dissipateur thermique ou sa plaque froide. Son rôle est de combler l’espace microscopique laissé par la rugosité et les tolérances de planéité de la surface. Sur un assemblage réel, les deux faces ne sont jamais parfaitement planes ; le pad doit donc s’adapter sous la pression de serrage et rester en contact sur toute sa surface. Il est indispensable dès lors qu’il existe un espace mesurable et reproductible qu’un dissipateur thermique rigide ne peut combler à lui seul.
Pour les charges thermiques élevées, le pad thermique n'est qu'une étape d'un processus plus long. Dans un véhicule électrique ou une batterie de stockage d'énergie, la chaleur se propage souvent d'un composant de la carte ou d'un module d'alimentation à travers le pad thermique vers un dissipateur thermique ou un élément structurel, puis vers un circuit de liquide. Trumonytechs fournit plaques de refroidissement liquide Pour l'étape suivante, dimensionnez le dissipateur ou la plaque froide située derrière le tampon pour supporter la charge, et considérez le tampon comme l'interface qui dissipe la chaleur du composant de manière constante.
Choisir un pad thermique : conductivité, épaisseur et isolation
Pour choisir les plots isolants, partez de la jonction, et non de la fiche technique : déterminez d’abord l’écart et l’isolation requise, puis choisissez la conductivité et l’épaisseur en conséquence. Ces trois variables interagissent, et se fier uniquement aux données d’une fiche technique est l’erreur la plus fréquente qui conduit à une conception inadaptée. Les sous-sections ci-dessous les abordent dans l’ordre généralement pertinent.
Conductivité thermique
Une conductivité thermique globale plus élevée réduit la contribution de la pastille à la résistance thermique, mais la valeur indiquée dans la fiche technique correspond à une mesure effectuée selon une méthode d'essai, et non à une propriété intrinsèque. Les pastilles commerciales présentent généralement une conductivité thermique comprise entre 1,5 et 15 W/m·K environ, selon le système de charge, les valeurs les plus élevées correspondant aux composites à charge plus importante. Ces valeurs sont généralement mesurées dans des conditions de régime permanent, comme selon la norme ASTM D5470, la méthode d'essai de l'ASTM International pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs. Deux pastilles ne sont comparables que si elles ont été caractérisées de la même manière. Utilisez la valeur W/m·K indiquée comme référence, puis vérifiez la résistance thermique réelle à votre propre pression et à votre ligne de collage.
Épaisseur et compression
Choisissez une épaisseur de pastille adaptée à l'espace entre les composants et prévoyez de la comprimer. Les pastilles existent en différentes épaisseurs, généralement de 0,5 mm à plusieurs millimètres. On choisit généralement une pastille légèrement plus épaisse que l'espace nominal afin que le serrage la comprime, souvent de 20 à 50 % selon les spécifications du fabricant. Cette compression chasse l'air et plaque la pastille contre les deux faces. Dépasser la compression nominale pour obtenir une ligne de liaison plus fine présente des limites : le gain thermique risque de ne pas se maintenir et la charge supplémentaire se répercute sur le composant et les joints de soudure situés en dessous.
Isolation électrique et compatibilité
Considérez l'isolant comme une barrière lorsque la pastille est en contact avec des conducteurs exposés. Lorsqu'une pastille peut toucher des broches ou des pistes, elle doit résister à la tension de service sans se rompre. Dans ce cas, choisissez un produit isolant présentant une rigidité diélectrique ou une résistivité volumique spécifiée, ainsi que ses conditions de test. Ne vous fiez pas à la catégorie ou au nom du matériau de remplissage pour présumer de l'isolation. Coussinets à base de silicone sont courantes car elles allient conformité et bon comportement diélectrique, mais vérifiez la compatibilité avec la température, le dégazage ou les suintements d'huile, les matériaux avec lesquels la pastille entre en contact et la durée de vie prévue ; ne présumez pas qu'elle sera valable pour toute la durée de vie.
Pad thermique vs pâte thermique
Si l'écart est réel et constant, utilisez un pad thermique ; si l'interface est presque plane et que vous avez besoin d'une couche de liaison très fine, la pâte thermique peut être plus adaptée. Les deux sont options d'interface thermique, et ce choix dépend davantage de la géométrie des joints et du processus de production que d'une simple valeur de conductivité.
| Facteur | coussin thermique | Pâte thermique |
|---|---|---|
| L'écart convient | Écarts mesurables, irréguliers ou déterminés par les tolérances | Des espaces petits, plats et bien contrôlés |
| Ligne de liaison | Plus épais ; déterminé par l’épaisseur du coussinet et la compression | Plus fin ; peut atteindre une résistance plus faible |
| manutention de l'assemblage | Découper à la forme voulue, positionner, fixer ; mise en place propre et préformée | Distribué et répandu ; nécessite pression et soins |
| Réutiliser lors de la retouche | Cela dépend de l'état ; un coussinet présentant une déformation rémanente ou des dommages est généralement remplacé conformément aux instructions du fournisseur. | Généralement réappliqué |
| Risque de cyclage thermique | Peut subir une déformation rémanente à la compression ou un fluage ; à vérifier selon la formulation et les conditions. | Peut être pompé sur plusieurs cycles ; vérifier selon la formulation et les conditions |
Pour un jeu irrégulier ou soumis à des tolérances, un tampon est généralement le choix le plus reproductible en production, car il remplit le jeu de manière uniforme. Lorsque l'interface est plane et que la priorité est la résistance la plus faible, la pâte peut être préférable, à condition que le procédé contrôle la pression et que la conception prenne en compte le pompage lors des cycles thermiques. Il est essentiel de vérifier le comportement en matière de réutilisation et de cyclage en fonction du matériau spécifique et de ses conditions de fonctionnement ; aucune de ces caractéristiques n'est garantie par catégorie.
Étapes d'installation et erreurs courantes
L'installation est déterminante pour la performance d'un pad thermique bien choisi, et elle commence par des surfaces de contact propres et planes. La plupart des pannes sont dues à quelques erreurs évitables ; la procédure ci-dessous garantit donc un chemin thermique optimal entre le composant et le dissipateur.
- Nettoyez les deux faces afin qu'aucune poussière, huile ou résidu ne se loge entre le tampon et le métal, car toute contamination ajoute de la résistance à l'endroit où vous essayez de l'éliminer.
- Mesurez la surface de contact et découpez le coussinet pour couvrir toute la surface sans l'étirer, car l'étirement amincit le matériau et modifie son comportement.
- Retirez tout film protecteur et posez le tampon à plat sur le composant, sans plis ni chevauchements, afin d'éviter d'emprisonner de l'air et de créer des points chauds.
- Appliquez une pression uniforme pour mettre en place le tampon et chasser l'air emprisonné, en maintenant la compression dans la plage nominale du tampon.
- Positionnez correctement le dissipateur thermique ou le module de refroidissement et fixez-le avec les colliers ou vis prévus à cet effet afin que la pression de contact reste constante.
- Vérifiez l'absence de jeux ou de défauts d'alignement et, le cas échéant, surveillez les températures sous charge pour confirmer le bon fonctionnement de l'interface.
Les erreurs fréquentes consistent à étirer excessivement le tampon, à laisser de l'air en dessous et à le serrer de manière excessive. L'étirement et les espaces d'air augmentent directement la résistance, et un serrage excessif sacrifie un faible gain thermique au profit d'une contrainte mécanique accrue sur le composant. Si un tampon doit être retiré, vérifiez son état : un tampon ayant subi une déformation rémanente ou présentant des dommages doit normalement être remplacé et non réutilisé, conformément aux recommandations du fournisseur.
Conclusion
Un pad thermique n'améliore les performances du circuit imprimé que s'il est adapté à la jonction. Commencez par définir l'espace et la rigidité diélectrique requise, choisissez une épaisseur qui se comprime dans cet espace dans sa plage nominale, et considérez la valeur W/m·K indiquée comme une valeur de comparaison liée à une méthode d'essai telle que la norme ASTM D5470. Ce dernier point est souvent source d'erreur : une valeur plus élevée dans la fiche technique ne garantit pas une résistance plus faible dans votre assemblage ; vérifiez donc la résistance thermique à la pression et à la ligne de collage réelles.
Si vous associez des pastilles, des cales de remplissage ou des plaques froides à une carte ou un bloc-batterie spécifique, contacter Trumonytechs pour surmonter les contraintes d'écart, de pression et d'isolation avec les matériaux d'interface qui leur conviennent.
FAQ
Pour un module d'alimentation dans un boîtier compact, vaut-il mieux utiliser un pad thermique ou de la pâte thermique ?
Choisissez le matériau de collage adapté à l'espace disponible. Un pad convient aux espaces mesurables ou irréguliers et assure une bonne tenue lors des cycles thermiques, tandis qu'une pâte à coller est idéale pour une interface quasi plane où la finesse de la ligne de collage est primordiale. Dans un boîtier compact présentant un espace réel et une tolérance de serrage, le pad est généralement le choix le plus fiable pour une production en série.
Quelle doit être l'épaisseur d'un pad thermique ?
Choisissez une pastille légèrement plus épaisse que l'espace à combler afin que le serrage la comprime et la mette en contact, généralement dans la plage de 20 à 50 % spécifiée dans la fiche technique. Une pastille trop fine laisse passer de l'air, et une pastille trop épaisse ajoute une contrainte mécanique lorsqu'elle est comprimée.
Puis-je me fier à la valeur W/m·K indiquée sur la fiche technique d'un pad thermique ?
Considérez cette valeur comme une valeur de référence mesurée selon une méthode d'essai telle que la norme ASTM D5470, et non comme une valeur garantie en application. Deux pastilles ne sont comparables que si elles sont caractérisées de la même manière ; vérifiez donc la résistance thermique réelle à votre pression de service et à votre ligne de collage.
Une conductivité thermique plus élevée signifie-t-elle toujours un meilleur refroidissement ?
Non. La résistance thermique réelle dépend également de l'épaisseur de la ligne de collage, de la pression de contact et de la qualité du remplissage de l'espace par la pastille. Une pastille à conductivité élevée mal positionnée peut être moins performante qu'une pastille de conductivité inférieure assurant un contact parfait.
Quand faut-il inspecter ou remplacer un pad thermique ?
Déclenchez l'inspection ou le remplacement en fonction de l'état du composant, et non selon un calendrier fixe. Vérifiez lorsqu'un composant chauffe anormalement, après un démontage, ou lorsque le tampon présente des signes de déformation rémanente, de dessèchement, de fissures ou de perte de contact, et suivez les recommandations du fournisseur concernant la durée de vie et les réparations. Pour les ensembles scellés ou non réparables, définissez la stratégie d'interface lors de la validation de la conception plutôt que de planifier les contrôles sur site.
Pour en savoir plus
- ASTM D5470-17, Méthode d'essai normalisée pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs — Norme ASTM International. Définit la méthode en régime permanent à l'origine des valeurs de W/m·K et de résistance thermique indiquées pour les pads thermiques, confirmant ainsi que la conductivité mentionnée dans la fiche technique est une valeur issue d'une méthode d'essai.
- Progrès récents dans les matériaux d'interface thermique pour la gestion thermique de l'électronique de puissance — Revue évaluée par des pairs, Nanomaterials (2022). Examine les types de TIM et leurs plages de conductivité, soutenant la distinction entre les pads commerciaux courants et les matériaux de qualité recherche.
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