Les matériaux d'interface thermique sans silicone trouvent leur place dans les packs de batteries dès lors que les fuites ou le dégazage du silicone risqueraient de compromettre le chemin thermique entre la cellule et le liquide de refroidissement. Pour un ingénieur thermique en charge des packs de batteries, la question est simple : cet assemblage comporte-t-il des surfaces, des capteurs ou des joints collés susceptibles d'être dégradés par une contamination au silicone ? Et une chimie sans silicone peut-elle garantir la conductivité thermique malgré les interstices et le vieillissement du module ? Cet article présente les avancées réalisées dans le domaine des matériaux sans silicone. matériaux d'interface thermique, comment ils se comparent aux types en silicone sur les variables qui déterminent la sélection, et où ils s'intègrent dans un véhicule électrique refroidi par liquide ou un système de stockage d'énergie.
Pourquoi les suintements et le dégazage du silicone menacent le circuit thermique de la batterie
Le mode de défaillance récurrent des matériaux d'interface thermique en silicone est la migration. Les siloxanes de faible masse moléculaire peuvent se volatiliser ou s'échapper sous l'effet de la chaleur, de la compression et des basses pressions, puis se redéposer sur les surfaces voisines. Dans un module de batterie, le flux thermique s'étend de la paroi de la cellule à une plaque froide en passant par le matériau d'interface. L'huile qui s'infiltre sur la surface d'étanchéité de la plaque froide, la lentille d'un capteur ou un circuit imprimé peut alors réduire la résistance de surface et la tension de claquage, ou encore perturber les opérations de collage et de nettoyage ultérieures. Plusieurs sources décrivent ce même mécanisme, ce qui en fait une contrainte de conception à prendre en compte dans les assemblages sensibles au silicone.
La maîtrise de la contamination est la raison pratique pour laquelle une ligne de production peut exiger une chimie sans silicone. Lorsque des procédés avec et sans silicone partagent les mêmes outillages, les siloxanes présents peuvent contaminer les joints de soudure et les collages sur des pièces non concernées. Une équipe peut alors opter pour des formulations sans silicone et à faible teneur en COV lorsque les exigences en matière de collage ou de propreté en aval sont strictes. Le principal critère est la propreté et la réparabilité du procédé. Les affirmations selon lesquelles le silicone est toxique à une limite fixe de parties par million ne sont pas fondées ici et doivent être vérifiées auprès d'un organisme de normalisation avant d'être reproduites.
Le silicone convient encore à la plupart des applications électroniques courantes ; le choix dépend donc du contexte. Lorsqu’un module ne comporte ni optique exposée, ni capteurs sensibles aux fuites de fluide, ni liaisons en aval susceptibles d’être endommagées par des traces d’huile, les matériaux silicones conventionnels, tels que… graisse silicone thermoconductrice L'utilisation d'un tampon en silicone reste une option raisonnable. L'intérêt d'opter pour une solution sans silicone se renforce à mesure qu'un assemblage comporte des surfaces sensibles à la contamination ou est soumis à des règles de propreté plus strictes.
Quels changements “ sans silicone ” apporte la chimie des matériaux d'interface thermique (TIM) ?
“L'expression ” sans silicone » décrit la matrice, et non la charge ; la partie conductrice de chaleur du matériau reste donc globalement inchangée. Ces systèmes remplacent le squelette polysiloxane par des polymères acryliques, polyuréthanes ou modifiés par des groupes silyle. La conductivité thermique provient toujours des charges céramiques ou métalliques dispersées dans cette matrice. Par conséquent, la suppression du silicone n'a pas d'incidence directe sur la conductivité ; ce sont la nature et la concentration de la charge qui en déterminent l'influence.
Les options de format sont globalement similaires à la gamme de silicone, ce qui permet de conserver des méthodes d'assemblage familières. Les produits chimiques sans silicone se présentent sous forme de mastics de remplissage, de coussinets de remplissage, d'adhésifs thermoconducteurs et de graisses. Une équipe peut généralement adapter le processus existant, qu'il s'agisse de déposer un mastic de remplissage moulé en place ou de placer des pièces découpées. coussinets thermiques. Le comportement de durcissement varie selon la chimie : certains systèmes sans silicone ne durcissent pas et permettent une mise en service immédiate, tandis que les adhésifs réactifs bi-composants privilégient la résistance de la liaison structurelle au détriment du temps d’ouverture.
Les travaux de recherche en chimie visent à améliorer la conductivité en modifiant le réseau de charge. Parmi les systèmes étudiés figurent des structures céramiques ou carbonées orientées, des matrices de poly(liquide ionique) explorées pour l'adhérence interfaciale, et matériaux d'interface thermique liquide Ces matériaux combinent métal liquide et particules solides pour former un réseau conducteur. Il s'agit de lignes directrices, et non de spécifications définitives. Toute valeur de conductivité ou de module rapportée doit être considérée comme non confirmée tant qu'elle n'est pas corroborée par une fiche technique et une autre source.
Huiles de refroidissement sans silicone vs huiles de refroidissement à base de silicone : compromis à vérifier
Les nuances sans silicone contribuent généralement à limiter la contamination et à améliorer le comportement diélectrique, mais peuvent compromettre la conformité à long terme. Chaque tendance doit être vérifiée au niveau de la nuance. Le tableau répertorie les tendances et les risques typiques à vérifier sur une fiche technique, et non les propriétés fixes de la famille de matériaux. La valeur indiquée dans chaque case dépend de la nuance exacte et de ses conditions de test.
| Variable | À base de silicone (typique) | Sans silicone (généralement, à vérifier selon la qualité) |
|---|---|---|
| Contamination / dégazage | Exsudation et migration des siloxanes sous l'effet de la chaleur et de la compression | Diminution du saignement lorsque la migration du siloxane constitue le principal risque |
| comportement diélectrique | Adéquate ; peut évoluer avec l'âge | Une meilleure isolation a été constatée pour certaines qualités testées. |
| Comportement après vieillissement à haute température | Il reste souvent viscoélastique | Certaines qualités testées durcissent ou deviennent cassantes |
| Conductivité thermique | Défini par le matériau de remplissage, et non par la matrice | Défini par le matériau de remplissage, et non par la matrice |
| Plage de température | Large, dépendant de la chimie | Dépend de la qualité ; à confirmer sur la fiche technique |
Le comportement au vieillissement est le compromis le plus souvent mal interprété ; il nécessite donc une vérification. Lors d'un vieillissement accéléré de 2 000 heures à 125 °C, réalisé conformément à la norme JEDEC JESD22-A103E et publié dans la revue *Materials*, un mastic de remplissage sans silicone a durci tandis que le matériau à base de silicone est resté viscoélastique. L'échantillon sans silicone a également présenté de meilleures propriétés diélectriques pour les applications exigeant une isolation optimale. Ce résultat concerne les deux nuances testées dans ces conditions de vieillissement. Il n'est pas généralisable à tous les produits sans silicone ni aux cycles thermiques extrêmes. La démarche pratique consiste à qualifier la dureté après vieillissement et le comportement de la ligne de collage pour la nuance concernée, et non à présumer de leur validité.
Les comparaisons de conductivité véhiculent le plus grand mythe, et il est important de le corriger directement. Car conductivité thermique du tampon d'interstice En fonction du type et de la charge de remplissage, une graisse sans silicone n'est pas intrinsèquement plus ou moins conductrice qu'une graisse silicone. Les deux peuvent être formulées dans une large gamme de propriétés. Toute affirmation selon laquelle les matériaux sans silicone seraient automatiquement plus performants que les graisses ou les tampons silicone doit être interprétée comme étant spécifique à chaque grade.
Adapter un matériau d'interface thermique sans silicone au chemin cellule-liquide de refroidissement
Le choix d'un matériau d'interface thermique (TIM) sans silicone pour un pack commence par l'analyse de l'espacement, car celui-ci détermine la classe de matériau. Il est essentiel d'adapter l'espacement et la planéité de surface entre la cellule ou le module et la plaque froide à la compliance du matériau. Les espaces larges et irréguliers nécessitent un matériau de remplissage conformable qui comble les vides sous basse pression, tandis que les interfaces fines et planes peuvent accueillir une pastille plus mince ou un film déposé. Un déséquilibre à ce niveau se traduit par des bulles d'air et des points chauds ; il est donc impératif de vérifier l'espacement maximal admissible avant de finaliser le format.
Les contraintes d'assemblage et l'automatisation influencent autant le format que les propriétés thermiques. Un matériau de remplissage sans silicone à faible module, qui se comprime pour obtenir une ligne de collage minimale sans exercer de pression sur les cellules fragiles, peut s'avérer plus avantageux qu'une conductivité légèrement supérieure nécessitant une force de serrage élevée. Un matériau de formage en place dispensable convient également mieux aux lignes de conditionnement automatisées que les coussinets appliqués manuellement. Lorsque l'interface supporte également une charge structurelle, un adhésif thermoconducteur sans silicone privilégie la résistance du collage et le temps de polymérisation, ce qui limite le temps de cycle.
Le durcissement, la facilité d'entretien et l'isolation complètent la sélection et sont liés aux objectifs du cycle de vie de l'emballage. Un matériau de remplissage non durcissant permet un test de puissance immédiat sur la ligne. Un adhésif réactif assure le maintien en place, mais complique les retouches et le démontage en fin de vie, une contrainte importante puisque les emballages sont conçus pour durer. sécurité des batteries et refroidissement liquide, La facilité d'entretien et le recyclage sont des aspects essentiels. La plupart des interfaces de conditionnement devant également isoler électriquement la cellule de la plaque froide, il est impératif de vérifier la rigidité diélectrique au niveau de la ligne de collage vieillie et comprimée, en utilisant les tests mécaniques, géométriques et diélectriques appropriés à chaque propriété. Un cycle de vieillissement accéléré, tel que le JEDEC JESD22-A103E, définit les conditions de stockage avant et après la réalisation de ces tests. Ce cycle ne mesure cependant pas, à lui seul, la dureté, l'épaisseur de la ligne de collage ni la rigidité diélectrique. La vérification simultanée de ces quatre variables garantit la fiabilité d'une solution sans silicone tout au long du cycle de vie du module.
Où les TIM sans silicone trouvent leur place
L'utilisation de matériaux sans silicone est privilégiée lorsque les exigences de propreté et les contraintes de fabrication s'opposent déjà à son utilisation. Les batteries des véhicules électriques et des systèmes de stockage d'énergie en sont un bon exemple. Lorsqu'une conception vise des températures de cellule proches de la température ambiante et considère les excursions prolongées vers les limites supérieures de température comme un risque pour la sécurité, le matériau d'interface doit résister aux cycles thermiques sans encrasser les plaques froides, les capteurs ou les joints collés. Les systèmes de stockage d'énergie par batteries sont soumis aux mêmes contraintes à plus grande échelle ; c'est pourquoi les mastics et adhésifs sans silicone sont une option courante dans la conception thermique des batteries.
Au-delà des batteries, cette même contrainte s'applique à tout assemblage sensible au silicone. Les composants optiques, les capteurs, les dispositifs médicaux et les équipements aérospatiaux peuvent être intolérants aux fuites ou au dégazage ; c'est pourquoi on privilégie les matériaux sans silicone pour éviter toute contamination à l'intérieur d'un boîtier. Ce principe d'ingénierie reste valable même si les contraintes de température et d'espacement varient selon l'application.
Du point de vue des sciences des matériaux, les progrès à court terme sont progressifs et axés sur les charges. Le renforcement par nanocharges, les chemins conducteurs orientés et les hybrides métal liquide visent tous à améliorer la conductivité tout en maintenant la souplesse, et chacun doit encore satisfaire aux mêmes exigences de qualification en matière de vieillissement, d'isolation et de fabricabilité. Le suivi de ces données de qualification constitue un indicateur de progrès plus fiable que les chiffres de conductivité bruts.
Conclusion
Le principal critère de choix des matériaux d'interface thermique sans silicone est la prise en compte prioritaire de la contamination et de la propreté, la conductivité venant ensuite. Privilégiez-les lorsqu'un assemblage présente des surfaces sensibles au silicone, des exigences de fabrication strictes, ou des impératifs de maintenance et d'isolation que les fuites de silicone compromettraient. En revanche, optez pour le silicone en l'absence de ces contraintes. Le vieillissement est la propriété la plus souvent mal interprétée. Certains matériaux sans silicone durcissent avec le temps ; il est donc essentiel de spécifier la dureté après vieillissement, l'épaisseur de la ligne de collage et la rigidité diélectrique pour chaque nuance. Utilisez une condition de vieillissement en stockage reconnue, telle que la norme JEDEC JESD22-A103E, et effectuez les tests mécaniques et diélectriques appropriés pour les mesures. L'adéquation du matériau à l'entrefer, aux contraintes d'assemblage, au durcissement et à l'isolation le long du chemin thermique est le point d'équilibre des matériaux d'interface Trumonytechs et des plaques froides.
FAQ
Ai-je besoin d'un produit de remplissage sans silicone pour un pack de batteries de véhicule électrique, ou le silicone est-il acceptable ?
C’est la sensibilité à la contamination, et non la batterie elle-même, qui détermine le choix du matériau de remplissage. Privilégiez un matériau sans silicone lorsque la batterie comporte des capteurs sensibles aux fuites, des surfaces d’étanchéité ou des joints collés, ou lorsque la ligne de production impose des normes strictes en matière d’absence de silicone et de faibles émissions de COV. Dans les autres cas, un matériau silicone bien choisi peut convenir.
Un matériau d'interface thermique sans silicone perd-il en conductivité thermique ou devient-il cassant après vieillissement thermique ?
Certains matériaux durcissent avec le temps ; il est donc impératif de le vérifier pour chaque produit. Une étude de vieillissement accéléré de 2 000 heures à 125 °C, conforme à la norme JEDEC JESD22-A103E, a révélé qu’un matériau de remplissage sans silicone durcissait, tandis qu’un matériau contenant du silicone conservait ses propriétés viscoélastiques. C’est pourquoi le comportement mécanique et diélectrique après vieillissement doit être qualifié pour chaque nuance.
Le dégazage du silicone peut-il contaminer la plaque froide, les cellules ou le circuit imprimé d'un module ?
Oui, et ce risque est la principale raison d'être des matériaux sans silicone. Les siloxanes de faible masse moléculaire peuvent migrer sous l'effet de la chaleur et de la compression sur les surfaces d'étanchéité, les capteurs ou les cartes, ce qui diminue la résistance de surface et la tension de claquage, ou compromet les opérations de collage et de nettoyage ultérieures.
Les matériaux d'interface thermique sans silicone sont-ils toujours plus conducteurs que ceux à base de silicone ?
Non ; la conductivité dépend du type et de la concentration de charge, et non de la présence ou non de silicone dans la matrice. Les deux compositions chimiques peuvent être formulées pour obtenir une large gamme de conductivités ; il convient donc de comparer les qualités entre elles plutôt que par famille de matériaux.
Pour en savoir plus
- Étude comparative de l'effet du vieillissement thermique sur les matériaux de remplissage d'espace thermique à base de silicone et sans silicone (revue *Materials*, 2021) — Étude de vieillissement en stockage à haute température évaluée par des pairs (JEDEC JESD22-A103E) appuyant les compromis de durcissement et diélectrique ci-dessus ; s'applique aux deux qualités testées, pas à tous les matériaux sans silicone.
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